Цивилизация
Ученые создали гидрогель, который, несмотря на мягкость, может выдержать вес стоящего на нем автомобиля. Статья с описанием изобретения опубликована в журнале Nature Materials.
Материал, разработанный учеными из Кэмбриджского университета, внешне напоминает студень или бесцветное желе. Если взять его в руку, то, на первый взгляд, он будет также вести себя подобно желе, сгибаться и подрагивать. Однако даже самый сильный человек в мире не смог бы раздавить его пальцами, несмотря на то, что гидрогель на 80 процентов состоит из воды.
Гидрогели — это материалы, представляющие собой сеть гидрофильных полимерных цепей, химически или физически сшитых между собой. Их сходство с желе не случайно, поскольку желатин и сам является природным гидрогелем. Полимерная сеть гидрогеля способна абсорбировать много воды, и от ее количества в том числе зависят итоговые свойства материала.
Мягкие, эластичные, похожие на резину гидрогели обладают множеством интересных свойств, в том числе — прочностью и способностью самостоятельно восстановить форму после больших нагрузок. По этой причине ученые проявляют к ним большой интерес, и создание устойчивого к раздавливанию гидрогеля — одна из актуальных задач современного материаловедения.
Сшивающие агенты гидрогеля
Huang et al./Nature Materials«Чтобы создать материал с необходимыми нам свойствами, мы используем сшивающие агенты, в которых пары молекул соединены химической связью, — рассказывает Цзехуан Хуанг, один из авторов работы. — Мы применили обратимые сшивающие агенты, которые обычно делают гидрогель мягким и тянущимся, и попытки изготовить с их помощью прочный сжимаемый материал противоречат интуиции на первый взгляд».
Для создания прочного гидрогеля ученые использовали кукурбитурил — вещество, чьи молекулы по форме похожи на бочку.
Молекулы кукурбитурила выступили сшивающим агентом, удерживая две молекулы-гостя внутри полости, по выражению авторов — подобно наручникам.
Исследователи подобрали такие гостевые молекулы, которые склонны оставаться внутри хозяина как можно дольше, и за счет этого получившийся полимер способен выдержать большие давления без необратимой деформации. Одним из ключевых шагов на пути к этому стало избавление от лишней воды внутри полости молекул кукурбитурила, для чего ученые увеличили гидрофобность второго гостя.
«При 80-процентном содержании воды можно подумать, что материал при давлении разорвется на части, но это не так: он остается неповрежденным и выдерживает огромное сжатие, — рассказывают авторы. — Свойства гидрогеля кажутся противоположными друг другу, и то, как он выдерживает сжатие, не похоже ни на что известное ранее. Мы обнаружили, что прочностью на сжатие можно управлять, изменяя химическую структуру гостевой молекулы внутри наручников».
Таким образом, варьируя химический состав гостевой молекулы, можно управлять свойствами гидрогеля, создавая на единой основе целый класс материалов, чьи характеристики варьируются от стеклоподобных до резиноподобных.
Чтобы наглядно испытать материал, ученые положили его небольшой кусок на землю и накрыли металлическим листом. После этого гидрогель много раз переехали легковым автомобилем и даже придавили его колесом на длительное время.
Материал сжимался, но, вопреки своему внешнему виду, не растекался, а вновь и вновь приподнимал металлический лист, когда автомобиль съезжал.
Когда исследователи подняли лист, гидрогель выглядел точно так же, как до испытаний, и нисколько не повредился.
Авторы работы видят новому материалу множество применений. Например, гидрогель мягок и не токсичен, и потому из него можно изготовить носимую на теле электронику. Но лучше всего новый материал раскроет себя там, где требуется длительное время выдерживать высокие нагрузки, в первую очередь — в мягких датчиках давления. Подобные устройства могут пригодиться во множестве мест, от «умных» кроссовок, измеряющих параметры ходьбы и бега, до чувствительной искусственной кожи роботов.