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 кожа человека обладает гелеобразными свойствами, она обладает уникальными качествами, которые очень трудно воспроизвести. Она сочетает в себе высокую жёсткость и гибкость 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 жёсткость, либо самовосстанавливающиеся свойства натуральной кожи, но не то и другое одновременно. Теперь группа исследователей из Университета Аалто и Байройтского университета впервые разработала гидрогель с уникальной структурой, которая преодолевает ранее существовавшие ограничения и открывает возможности для таких применений, как доставка лекарств, заживление ран, датчики мягкой робототехники и искусственная кожа.

В ходе прорывного исследования учёные добавили в гидрогели, которые обычно мягкие и податливые, исключительно крупные и ультратонкие нанолисты специальной глины. В результате получилась высокоупорядоченная структура с плотно переплетёнными полимерами между нанолистами, что не только улучшило механические свойства гидрогеля, но и позволило материалу самовосстанавливаться. Исследование было опубликовано в престижном журнале Nature Materials 7 марта.

Исцеление с помощью "запутывания"

Секрет материала заключается не только в упорядоченном расположении нанолистов, но и в полимерах, которые переплетаются между собой. Этот процесс так же прост, как выпечка. Постдокторант Чен Лян смешал порошок мономеров с водой, содержащей нанолисты. Затем смесь поместили под УФ-лампу, похожую на ту, что используется для сушки гель-лака для ногтей. УФ-излучение от лампы заставляет отдельные молекулы соединяться друг с другом, так что всё становится эластичным твёрдым веществом — гелем.

Запутывание означает, что тонкие полимерные слои начинают переплетаться друг с другом, как крошечные шерстяные нити, но в случайном порядке. Когда полимеры полностью запутываются, их невозможно отличить друг от друга. Они очень динамичны и подвижны на молекулярном уровне, и когда вы их разрезаете, они снова начинают переплетаться.

Ханг Чжан из Университета Аалто

Через четыре часа после разреза ножом материал уже на 80 или 90 процентов самовосстанавливается. Через 24 часа он обычно полностью восстанавливается. Кроме того, гидрогель толщиной в один миллиметр содержит 10 000 слоёв нанолистов, что делает материал таким же жёстким, как человеческая кожа, и придаёт ему сопоставимую степень растяжимости и гибкости. Чжан добвил, что создание жёстких, прочных и самовосстанавливающихся гидрогелей долгое время было сложной задачей. Мы обнаружили механизм, позволяющий укрепить традиционно мягкие гидрогели. Это может произвести революцию в разработке новых материалов с биологическими свойствами.

Черпая вдохновение у природы

Эта работа — захватывающий пример того, как биологические материалы вдохновляют нас на поиск новых сочетаний свойств для синтетических материалов. Представьте себе роботов с прочной самовосстанавливающейся кожей или синтетические ткани, которые самостоятельно восстанавливаются.

Олли Иккаля из Университета Аалто

И хотя до реального применения в мире ещё далеко, текущие результаты представляют собой значительный прорыв, так как данное фундаментальное открытие может изменить правила проектирования материалов.

Проигрывая, модели ИИ прибегают к мошенничеству, чтобы выиграть шахматные матчи.

Фото: Margot Lepetit / Aalto University