Вчені створили «незламний» новий матеріал

Дослідники розробили новий клас матеріалів, відомих як склоподібні гелі, які поєднують твердість склоподібних полімерів із розтяжністю гелів.

Ці матеріали зберігають понад 50% вмісту рідини, підвищуючи їх еластичність і адгезійні властивості. Процес виготовлення включає змішування полімерних прекурсорів з іонною рідиною та затвердіння ультрафіолетовим світлом, що забезпечує легке виробництво та потенціал для широкого застосування в таких галузях, як електроніка та медичне обладнання.

Вчені створили новий клас матеріалів під назвою «склоподібні гелі»

Вчені винайшли новий клас матеріалів під назвою «склоподібні гелі», які є надзвичайно твердими та їх важко розбити, навіть якщо вони складаються більш ніж на 50% з рідини. У поєднанні з тим фактом, що склоподібні гелі легко виробляти, цей матеріал є перспективним для широкого спектра застосувань.

Гелі та склоподібні полімери — це класи матеріалів, які історично розглядалися як відмінні один від одного. Склоподібні полімери тверді, жорсткі та часто крихкі. Вони використовуються для виготовлення таких речей, як пляшки з водою або вікна літака. Гелі, такі як контактні лінзи, містять рідину, є м’якими та еластичними.

Інноваційний дизайн матеріалів

«Ми створили клас матеріалів, які ми назвали склоподібними гелями, які такі ж тверді, як склоподібні полімери, але – якщо ви прикладаєте достатню силу – вони можуть розтягнутися в п’ять разів більше їх початкової довжини, а не зламатися», – говорить Майкл. Дікі, автор-кореспондент статті про цю роботу та Камілла і Генрі Дрейфус, професор хімічної та біомолекулярної інженерії в Університеті штату Північна Кароліна. «Більше того, коли матеріал розтягнуто, його можна повернути до початкової форми, застосувавши тепло. Крім того, поверхня склоподібних гелів має високу адгезію, що незвично для твердих матеріалів».

«Основна особливість склоподібних гелів полягає в тому, що вони більш ніж на 50% складаються з рідини, що робить їх більш ефективними провідниками електрики, ніж звичайні пластики з аналогічними фізичними характеристиками», — каже Мейсян Ван, один із провідних авторів статті та постдокторант. дослідник штату Північна Кароліна.

«Враховуючи кількість унікальних властивостей, якими вони володіють, ми оптимістично налаштовані, що ці матеріали будуть корисними», — каже Ван.

Виробництво та характеристики

Склоподібні гелі, як випливає з назви, фактично є матеріалом, який поєднує деякі з найпривабливіших властивостей як склоподібних полімерів, так і гелів. Щоб зробити їх, дослідники починають з рідких прекурсорів склоподібних полімерів і змішують їх з іонною рідиною. Цю об’єднану рідину заливають у форму і піддають впливу ультрафіолету, який «затвердіє» матеріал. Потім форму видаляють, залишаючи склоподібний гель.

«Іонна рідина є розчинником, як і вода, але повністю складається з іонів», — говорить Дікі. «Зазвичай, коли ви додаєте розчинник до полімеру, розчинник розсовує полімерні ланцюги, роблячи полімер м’яким і еластичним. Ось чому волога контактна лінза є гнучкою, а суха контактна лінза – ні. У склоподібних гелях розчинник розштовхує молекулярні ланцюги в полімері, що дозволяє йому розтягуватися, як гель. Однак іони в розчиннику сильно притягуються до полімеру, що перешкоджає переміщенню полімерних ланцюгів. Нездатність ланцюгів рухатися ось що робить його скляним. Кінцевим результатом є те, що матеріал твердий через сили тяжіння, але все ще здатний розтягуватися через додатковий відстань».

Універсальність і потенціал застосування

Дослідники виявили, що склоподібні гелі можна виготовляти з різними полімерами та іонними рідинами, хоча не всі класи полімерів можна використовувати для створення склоподібних гелів.

«Заряджені або полярні полімери є перспективними для склоподібних гелів, оскільки вони притягуються до іонної рідини», — говорить Дікі.

Під час тестування дослідники виявили, що склоподібні гелі не випаровуються і не висихають, навіть якщо вони на 50-60% складаються з рідини.

«Можливо, найбільш інтригуючою характеристикою скляних гелів є те, наскільки вони клейкі», — каже Дікі. «Тому що, хоча ми розуміємо, що робить їх жорсткими та розтяжними, ми можемо лише здогадуватися про те, що робить їх такими липкими».

Практичні застосування та перспективи на майбутнє

Дослідники також вважають, що скляні гелі є перспективними для практичного застосування, оскільки їх легко зробити.

«Створення склоподібних гелів — це простий процес, який можна здійснити шляхом затвердіння в будь-якій формі або шляхом 3D-друку», — говорить Дікі. «Більшість пластмас із подібними механічними властивостями вимагають від виробників створення полімеру як вихідної сировини, а потім транспортування цього полімеру на інше підприємство, де полімер плавиться та формується в кінцевий продукт.

«Ми раді побачити, як можна використовувати склоподібні гелі, і готові працювати з колегами над визначенням застосування цих матеріалів». Стаття «Склоподібні гелі, зміцнені розчинником» була опублікована 19 червня в журналі Nature.