Un „super-jeleu” își poate recăpăta forma chiar și după ce a fost călcat de mașină
Cercetătorii au dezvoltat un super-jeleu care poate rezista la o greutate echivalentă unui elefant care stă pe el și își poate reveni complet la forma sa originală, chiar dacă este compus din 80% apă.
Materialul moale, dar puternic, dezvoltat de o echipă de la Universitatea din Cambridge, arată și se simte ca un jeleu moale, dar acționează ca un pahar ultra-dur, rezistent la spargere atunci când este comprimat, în ciuda conținutului său ridicat de apă, scrie Phys.org.
Porțiunea non-apă a materialului este o rețea de polimeri ținuți împreună prin interacțiuni reversibile pornit/oprit care controlează proprietățile mecanice ale materialului. Este pentru prima dată când o rezistență atât de semnificativă la compresie este încorporată într-un material moale.
Acest super-jeleu ar putea fi folosit pentru o gamă largă de aplicații potențiale, inclusiv robotică moale, bioelectronică sau chiar ca înlocuitor de cartilaj pentru uz biomedical. Rezultatele sunt raportate în revista Nature Materials.
Modul în care se comportă materialele – indiferent dacă sunt moi sau ferme, fragile sau puternice – depinde de structura lor moleculară.
Hidrogelurile elastice, asemănătoare cauciucului, au o mulțime de proprietăți interesante care le fac un subiect popular de cercetare – cum ar fi duritatea și capacitățile lor de auto-vindecare – dar realizarea de hidrogeluri care pot rezista comprimării fără a fi zdrobite este o provocare.
„Pentru a face materiale cu proprietățile mecanice pe care le dorim, folosim agenți de reticulare, în care două molecule sunt unite printr-o legătură chimică”, a spus dr. Zehuan Huang, de la Departamentul de Chimie Yusuf Hamied, autor principal al studiului.
„Folosim agenți de reticulare reversibili pentru a face hidrogeluri moi și elastice, dar realizarea unui hidrogel dur și compresibil este dificilă, iar proiectarea unui material cu aceste proprietăți este complet contraintuitivă”, a adăugat cercetătorul.
Secretul noului material este o moleculă numită cucurbituril
Lucrând în laboratorul profesorului Oren Scherman, care a condus cercetarea, echipa a folosit molecule în formă de butoi numite cucurbiturili pentru a face un hidrogel care poate rezista la compresie.
Cucurbiturilul este molecula de reticulare care ține două molecule captive în cavitatea sa – ca o cătușă moleculară. Cercetătorii au proiectat molecule captive care preferă să rămână în interiorul cavității mai mult decât în mod normal, ceea ce menține rețeaua de polimeri strâns legată, permițându-i să reziste la compresie.
„La un conținut de apă de 80%, ai crede că s-ar destrăma ca un balon cu apă, dar nu este așa: rămâne intact și rezistă la forțe uriașe de compresie. Proprietățile hidrogelului sunt aparent în contradicție între ele”, a spus Scherman, directorul Laboratorului Melville pentru Sinteza polimerilor din cadrul Universității.
„Modul în care hidrogelul poate rezista la compresie a fost surprinzător, nu a fost ca nimic din ceea ce am văzut în hidrogeluri. Am descoperit, de asemenea, că rezistența la compresie ar putea fi controlată cu ușurință prin simpla schimbare a structurii chimice a moleculei captive din interiorul cătușei”, a spus coautorul dr. Jade McCune, de la Departamentul de Chimie.
Pentru a produce acest super-jeleu asemănător sticlei, echipa a ales molecule specifice pentru cătușe. Modificarea structurii moleculare a moleculelor captive din cătușă a permis ca dinamica materialului să „încetinească” considerabil, performanța mecanică a hidrogelului final variind de la stări asemănătoare cauciucului la stări asemănătoare sticlei.
„Oamenii au petrecut ani de zile făcând hidrogeluri asemănătoare cauciucului, dar asta este doar jumătate din imagine. Am cercetat din nou fizica tradițională a polimerilor și am creat o nouă clasă de materiale care acoperă întreaga gamă de proprietăți ale materialelor, de la cauciuc la cea de sticlă, făcând astfel o imagine completă”, a spus Scherman.
Acest super-jeleu a fost folosit la fabricarea unui senzor de presiune
Cercetătorii au folosit materialul pentru a realiza un senzor de presiune cu hidrogel pentru monitorizarea în timp real a mișcărilor umane, inclusiv în picioare, mers și sărituri.
„Din câte știm, aceasta este prima dată când au fost produse hidrogeluri asemănătoare sticlei. Nu doar scriem ceva nou în manuale, ceea ce este cu adevărat interesant, dar deschidem un nou capitol în domeniul materialelor moi de înaltă performanță”, a spus Huang.
Cercetătorii de la laboratorul Scherman lucrează în prezent pentru a dezvolta în continuare aceste materiale asemănătoare sticlei spre aplicații biomedicale și bioelectronice, în colaborare cu experți din inginerie și știința materialelor.
Vă recomandăm să citiți și:
Un microscop dăruit de Charles Darwin fiului său va fi scos la licitație
China a lansat trei astronauți în spațiu, într-o misiune crucială
Un cip de computer extrem de subțire funcționează precum neuronii din creierul nostru