Ученые Кембриджского университета разработали новый тип мягкого материала, способного выдерживать огромные нагрузки. Новый гидрогель, описываемый как «супержеле», использует уникальную внутреннюю структуру, подобную молекулярным наручникам, которая реагирует на сжатие, переходя в состояние, подобное стеклу.
Гидрогели представляют большой интерес для материаловедов. Высокое содержание воды делает их пригодными для использования в организме человека и придает им эластичные и самовосстанавливающиеся свойства, которые можно использовать в робототехнике , современных контактных линзах , искусственных тканях и заживлении ран . Авторы нового исследования стремились расширить эти возможности, изменив основную молекулярную структуру.
«Чтобы получить материалы с желаемыми механическими свойствами, мы используем две молекулы соединенные химической связью», — говорит д-р Цзехуан Хуанг, автор исследования. «Мы используем обратимые сшивающие агенты для изготовления мягких и эластичных гидрогелей, но сделать твердый и сжимаемый гидрогель сложно, а создание материала с такими свойствами совершенно нелогично».
Чтобы добиться этого, ученые обратились к бочкообразным молекулам, называемым кукурбитурилами, которые «сковывают наручники» пары других молекул внутри своей полости. Затем они использовали молекулы, специально предназначенные для того, чтобы оставаться внутри этой полости дольше, чем обычно, что дает эффект сохранения сети плотно связанной и позволяет ей изменяться от резиноподобного состояния до состояния, напоминающего сверхтвердое, небьющееся стекло.
По словам команды, это позволяет «супержеле» выдерживать силы, эквивалентные нагрузкам, как если бы наступил слон или переехал автомобиль. Поскольку слонов под рукой не было, команда провела испытание материала, продемонстрировав, как материал может вернуться к своей первоначальной форме.
«При 80-процентном содержании воды можно подумать, что он разорвется на части, как воздушный шар с водой, но это не так: он остается неповрежденным и выдерживает огромные сжимающие силы», — говорит профессор Орен А. Шерман, руководивший исследованием. «Свойства гидрогеля кажутся противоречащими друг другу».
Ученые также использовали новый материал, чтобы сделать датчик давления для движений человека, таких как стояние, ходьба и прыжки. В настоящее время они продолжают разрабатывать материал с целью адаптации его для биомедицинских приложений, таких как замена хряща и, в направлении мягкой робототехники.
«Насколько нам известно, это первый раз, когда гидрогели, похожие на стекло, были изготовлены, — говорит Хуанг. — Мы не просто пишем что-то новое в учебники, что действительно интересно, но мы открываем новую глава в области мягких материалов с высокими эксплуатационными характеристиками ».
Исследование было опубликовано в журнале Nature Materials , а на видео ниже вы можете увидеть, как наезжает супержеле.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК