Разработаны самовосстанавливающиеся и устойчивые к растрескиванию гидрогелевые микроволокна

Прочитано: 301 раз(а)


Самовосстанавливающиеся и устойчивые к растрескиванию гидрогелевые микроволокна, вдохновленные шелком паука.

В последние годы ученые-материаловеды создавали новые материалы с множеством преимущественных свойств, которые могли бы повысить производительность различных технологий и устройств. Сюда входят волокна на основе гидрогеля и искусственная кожа, которые могут помочь в создании мягких гуманоидных роботов, протезов и даже удобной смарт-одежды или носимых устройств.

Исследователи из Университета Дунхуа в Китае недавно создали новые микроволокна на основе гидрогеля, которые являются прочными, самовосстанавливающимися и устойчивыми к растрескиванию. Эти микроволокна, представленные в Nature Communications, были изготовлены с использованием процесса, вдохновленного тем, как пауки плетут свои сети.

«Мы заметили, что, хотя было синтезировано множество синтетических гидрогелевых волокон, имитирующих основные функции биологических волокон, таких как шелк, мышцы и нервные волокна, большинство из них имеют очень низкую устойчивость к повреждениям, что значительно ограничивает их долговечность», — Шэнтонг Сун, один из исследователей, проводивших исследование, рассказали Tech Xplore. «Это можно решить, изучив структуру паучьего шелка, которая представляет собой почти предел прочности известных природных биологических материалов».

Пауки плетут очень прочную шелковую паутину из водного раствора, жидкокристаллического раствора, в котором белковые молекулы могут свободно перемещаться, сохраняя при этом определенную степень порядка. Создаваемые ими полотна следуют иерархической наноструктуре с выгодными механическими свойствами.

«Мы предполагали, что ионный комплекс гигроскопичного положительно заряженного полиэлектролита (PDMAEA-Q) и полиметакриловой кислоты (PMAA) может стать идеальной системой для производства устойчивых к повреждениям гидрогелевых волокон». объяснил Сан. «В сформированном волокне PMAA будет образовывать прочные кластеры с водородными связями, встроенные в мягкую матрицу ионных комплексов. Теоретически это может имитировать наноструктуру паучьего шелка для улучшения механических характеристик».

Гидрогелевые микроволокна исследователей были созданы в условиях окружающей среды , точно так же, как те, в которых пауки создают свою паутину. Они использовали метод, известный как пултрузионное прядение, для формирования волокон из водного раствора , содержащего PMAA и PDMAEA-Q.

«Самопроизвольное наноконфайнмент цепей ПМАК (кластеров с водородными связями) естественным образом происходит во время испарения воды в виде отдельных нанофаз, встроенных в мягкую матрицу PDMAEA-Q/PMAA», — сказал Сан. «Такое иерархическое наноконфайнмент придает гидрогелевым микроволокнам очень высокие механические свойства. Например, гидрогелевое волокно является довольно прочным с высоким модулем Юнга 428 МПа и удлинением 219%».

В первоначальных оценках микроволокна, созданные исследователями, продемонстрировали многообещающие свойства. Например, было обнаружено, что они обладают высокой демпфирующей способностью и трещиностойкостью, а также высокой чувствительностью к влаге, что позволяет им сокращаться, сохранять определенную форму и быстро «самозалечиваться» при повреждении.

«В целом, высокие механические свойства требуют сильной ковалентной связи, в то время как способность к быстрому восстановлению требует высокодинамичных сетей, которые по своей сути противоречивы», — сказал Сан. «Мы решаем эту проблему, используя наноконденсированную структуру, подобную шелку паука. Важно отметить, что эта иерархическая структура формируется спонтанно во время испарения воды, что позволяет избежать утомительных и энергозатратных шагов для дальнейшей обработки».

Недавняя работа этой группы исследователей может вскоре вдохновить на производство других высокоэффективных волокнистых материалов на основе наноограниченных структур и аналогичных процессов прядения. Кроме того, созданные ими гидрогелевые микроволокна, вдохновленные шелком паука, вскоре можно будет применять и оценивать в реальных условиях, например, в качестве приводных волокон протезов конечностей или носимых устройств.

«Мы показали, что гидрогелевые волокна с наноструктурой могут демонстрировать очень хорошие свойства, но прочность волокон еще не сравнима с прочностью настоящего паучьего шелка», — добавил Сан. «В будущем мы постараемся ввести еще более прочные нанокристаллы в качестве наноконфайнмента для дальнейшего улучшения механических свойств гидрогелевых волокон».

Разработаны самовосстанавливающиеся и устойчивые к растрескиванию гидрогелевые микроволокна



Новости партнеров