Мы все сталкиваемся с гелями в повседневной жизни — от мягких, липких веществ, которые вы наносите на волосы, до желеобразных компонентов в различных продуктах питания. Хотя человеческая кожа имеет гелеобразные характеристики, она обладает уникальными качествами, которые очень трудно воспроизвести. Она сочетает высокую жесткость с гибкостью и обладает замечательными способностями к самовосстановлению, часто полностью заживая в течение 24 часов после травмы.
До сих пор искусственным гелям удавалось либо воспроизвести эту высокую жесткость, либо самовосстанавливающиеся свойства натуральной кожи, но не то и другое одновременно. Теперь группа исследователей из Университета Аалто и Университета Байройта стали первыми, кто разработал гидрогель с уникальной структурой, которая преодолевает прежние ограничения, открывая двери для таких приложений, как доставка лекарств , заживление ран , мягкие роботизированные датчики и искусственная кожа.
В исследовании ученые добавили исключительно большие и ультратонкие специфические глиняные нанолисты к гидрогелям, которые обычно мягкие и скользкие. Результатом является высокоупорядоченная структура с плотно переплетенными полимерами между нанолистами, что не только улучшает механические свойства гидрогеля, но и позволяет материалу самовосстанавливаться.
Исследование опубликовано в журнале Nature Materials.
Исцеление посредством «запутывания»
Секрет материала заключается не только в организованном расположении нанолистов, но и в полимерах, которые запутаны между ними, — и этот процесс так же прост, как выпечка. Постдокторант Чэнь Лян смешал порошок мономеров с водой, содержащей нанолисты. Затем смесь поместили под УФ-лампу — похожую на ту, что используется для закрепления гель-лака для ногтей.
«УФ-излучение лампы заставляет отдельные молекулы связываться друг с другом, в результате чего все превращается в эластичное твердое вещество — гель», — объясняет Лян.
«Запутывание означает, что тонкие полимерные слои начинают скручиваться друг с другом, как крошечные шерстяные нити, но в случайном порядке», — добавляет Ханг Чжан из Университета Аалто. «Когда полимеры полностью запутаны, они неотличимы друг от друга. Они очень динамичны и подвижны на молекулярном уровне , и когда вы их разрезаете, они снова начинают переплетаться».
Через четыре часа после разрезания ножом материал уже на 80–90% самовосстанавливается. Через 24 часа он обычно полностью восстанавливается. Кроме того, гидрогель толщиной в один миллиметр содержит 10 000 слоев нанолистов, что делает материал таким же жестким, как человеческая кожа , и придает ему сопоставимую степень растяжения и гибкости.
«Жесткие, прочные и самовосстанавливающиеся гидрогели долгое время были проблемой. Мы обнаружили механизм, позволяющий укрепить традиционно мягкие гидрогели. Это может произвести революцию в разработке новых материалов со свойствами, вдохновленными биотехнологиями», — говорит Чжан.
Черпая вдохновение в природе
«Эта работа — захватывающий пример того, как биологические материалы вдохновляют нас на поиск новых комбинаций свойств для синтетических материалов . Представьте себе роботов с прочной, самовосстанавливающейся кожей или синтетическими тканями, которые самостоятельно восстанавливаются», — говорит Олли Иккала из Университета Аалто.
Хотя до реального применения еще далеко, текущие результаты представляют собой кардинальный скачок. «Это своего рода фундаментальное открытие, которое может обновить правила дизайна материалов», — говорит профессор Иккала.
