Wszyscy spotykamy żele w życiu codziennym-od miękkich, lepkich substancji, które wkładasz do włosów, po galaretki elementów w różnych produktach spożywczych. Podczas gdy ludzka skóra ma charakterystykę żelową, ma unikalne cechy, które są bardzo trudne do powtórzenia. Łączy wysoką sztywność z elastycznością i ma niezwykłe możliwości samoleczenia, często goi się całkowicie w ciągu 24 godzin po urazie.
Do tej pory sztuczne żele albo udało się powtórzyć taką wysoką sztywność lub właściwości samoleczenia naturalnej skóry, ale nie oba. Teraz zespół naukowców z Aalto University i University of Bayreuth jako pierwszy opracował hydrożel o unikalnej strukturze, która pokonuje wcześniejsze ograniczenia, otwierając drzwi do zastosowań, takich jak dostarczanie leków, gojenie się ran, czujniki miękkiej robotyki i sztuczna skóra.
W badaniu przełomowym naukowcy dodali do hydrożeli wyjątkowo duże i bardzo cienkie gliniane nanosek, które są zwykle miękkie i miękkie. Rezultatem jest wysoce uporządkowana struktura z gęsto splątanymi polimerami między nanoskuszami, nie tylko poprawą właściwości mechanicznych hydrożelu, ale także pozwalając materiałowi samoleczyć.
Badania zostały opublikowane w czasopiśmie Nature Materials 7 marca.
Uzdrowienie przez „uwikłanie”
Sekret materiału leży nie tylko w zorganizowanym układzie nanoskuszy, ale także w polimerach splątanych między nimi – i procesie, który jest tak prosty, jak pieczenie. Badacz doktorantów Chen Liang wymieszał proszek monomerów z wodą zawierającą nanosek. Mieszaninę następnie umieszczono pod lampy UV – podobną do tej używanej do ustawiania lakieru do paznokci. „Radiowanie UV z lampy powoduje, że poszczególne cząsteczki wiążą się ze sobą, aby wszystko stało się sprężyste stałe-żel”-wyjaśnia Liang.
„Splątanie oznacza, że cienkie warstwy polimerowe zaczynają się przekręcać wokół siebie jak małe wełniane przędze, ale w losowej kolejności” – dodaje Hang Zhang z Uniwersytetu Aalto. „Gdy polimery są w pełni uwikłane, są one nierozróżnialne od siebie. Są bardzo dynamiczne i mobilne na poziomie molekularnym, a kiedy je wycinasz, zaczynają ponownie przeplatać się.
Cztery godziny po przecięciu noża materiał ma już 80 lub 90 procent samoleczy. Po 24 godzinach zwykle jest całkowicie naprawiany. Ponadto hydrożel o grubości jednej milimetry zawiera 10 000 warstw nanoskuszy, co czyni materiał tak sztywny jak ludzka skóra i zapewnia porównywalny stopień rozciągania i elastyczności.
„Sztywne, silne i samozwańcze hydrożele od dawna stanowi wyzwanie. Odkryliśmy mechanizm wzmocnienia konwencjonalnie miękkich hydrożeli. Może to zrewolucjonizować rozwój nowych materiałów z nieruchomościami inspirowanymi biologicznie ”-mówi Zhang.
Inspiracje z natury
„Ta praca jest ekscytującym przykładem tego, jak materiały biologiczne inspirują nas do poszukiwania nowych kombinacji właściwości materiałów syntetycznych. Wyobraź sobie, że roboty z solidnymi, samozwańczymi skórkami lub syntetycznymi tkankami, które autonomicznie naprawiają ”, mówi Olli Ikkala z Uniwersytetu Aalto. I chociaż może istnieć jakaś droga przed zastosowaniem rzeczywistego, obecne wyniki stanowią kluczowy skok.„ To rodzaj podstawowego odkrycia, które mogą odnowić zasady istotnego projektu. ”
Współpraca prowadziła dr Hang Zhang, prof. Olli Ikkala i prof. Josef Breu. Syntetyczne gliniane nanosektyki zostały zaprojektowane i wyprodukowane przez prof. Josefa Breu na University of Bayreuth w Niemczech.