Ученые Кембриджского университета разработали новый тип мягкого материала, способного выдерживать огромные нагрузки. Описанный как «супержеле», новый гидрогель использует уникальную внутреннюю структуру, подобную молекулярным наручникам, чтобы реагировать на сжатие, переходя в состояние, подобное стеклу, что позволяет его переехать автомобилем без раздавливания.

Гидрогели представляют большой интерес для материаловедов. Высокое содержание воды делает их пригодными для использования в организме человека и придает им эластичные и самовосстанавливающиеся свойства, которые можно использовать в робототехнике, современных контактных линзах, искусственных тканях и заживлении ран. Авторы этого нового исследования стремились расширить эти возможности, изменив лежащую в основе молекулярную структуру.

«Чтобы создать материалы с желаемыми механическими свойствами, мы используем сшивающие агенты, в которых две молекулы соединены химической связью», - говорит д-р Цзехуан Хуанг, первый автор исследования. «Мы используем обратимые сшивающие агенты для изготовления мягких и эластичных гидрогелей, но сделать твердый и сжимаемый гидрогель сложно, а создание материала с этими свойствами совершенно нелогично и противоречит здравому смыслу».

Чтобы добиться этого, ученые обратились к бочкообразным молекулам, называемым кукурбитурилами, которые «сковывают наручниками» пары других молекул внутри своей полости. Затем они использовали молекулы, разработанные специально для того, чтобы оставаться внутри этой полости дольше, чем обычно, что позволяет сохранять сеть плотно связанной и позволяя ей изменяться от резиноподобного состояния до состояния, напоминающего сверхтвердое, небьющееся стекло.

По словам команды, это позволяет «супержеле» противостоять силам, эквивалентным весу слона, стоящего на нем, и не быть раздавленным. Поскольку слонов под рукой не было, команда провела испытание материала, вместо этого проехавшись по нему на машине, продемонстрировав, как он может вернуться к своей первоначальной форме.

«При 80-процентном содержании воды можно подумать, что он разорвется на части, как воздушный шар с водой, но это не так: он остается неповрежденным и выдерживает огромные сжимающие силы», - говорит профессор Орен А. Шерман, который руководил исследованием. «Свойства гидрогеля кажутся противоречащими друг другу».

Ученые разработали совершенно новый мягкий, но прочный, эластичный материал, который может восстанавливать свою первоначальную форму после того, как его переехал автомобиль. Фото: Zehuan Huang

Ученые также использовали новый материал, чтобы сделать датчик давления для движений человека, таких как стояние, ходьба и прыжки. В настоящее время они продолжают совершенствовать материал с целью адаптации его для биомедицинских приложений, таких как замена хряща и, потенциально, для использования в мягкой робототехнике.

«Насколько нам известно, это первый случай получения стеклоподобных гидрогелей», - говорит Хуанг. «Мы не просто пишем что-то новое в учебники, что действительно интересно, но мы открываем новая главу в области мягких материалов с высокими эксплуатационными характеристиками».

Исследование было опубликовано в журнале Nature Materials, а на видео вы можете увидеть, как супержеле переезжают машиной.

Источник: University of Cambridge