Мы ежедневно сталкиваемся с различными видами гелей — в косметике, продуктах питания и даже в нашем организме. Однако человеческая кожа обладает уникальными свойствами, сочетая прочность, эластичность и способность к самовосстановлению в течение 24 часов после повреждения. До недавнего времени синтетические гели могли воспроизводить только одно из этих качеств.
Учёные из Университета Аалто и Университета Байройта совершили прорыв в области материаловедения, разработав гибкий, прочный и самовосстанавливающийся гидрогель. Это открытие открывает новые перспективы в таких сферах, как заживление ран, мягкая робототехника, создание искусственной кожи и доставка лекарств.
Прорыв в дизайне гидрогеля
Для достижения таких характеристик в гидрогеле учёные использовали ультратонкие глиняные нанолисты. Они формировали плотную запутанную сеть полимеров, которая придавала материалу прочность, предотвращая его чрезмерную мягкость, а также усиливала способность к самовосстановлению.
В ходе эксперимента исследователи смешали порошок мономеров с водой, содержащей нанолисты, а затем подвергли смесь воздействию ультрафиолетового излучения. «УФ-излучение заставляет молекулы соединяться, превращая вещество в эластичный твёрдый гель», — объясняет один из авторов исследования Чень Лян.
Ключевую роль в инновации играет взаимодействие полимеров. «Запутывание означает, что тонкие полимерные слои начинают переплетаться, словно нити шерсти, но в хаотичном порядке. Когда полимеры полностью переплетаются, они становятся неразличимыми друг от друга. Они остаются динамичными на молекулярном уровне и, при разрезании, начинают снова соединяться», — добавляет Хан Чжан из Университета Аалто.
Процесс восстановления материала происходит с удивительной скоростью: за первые четыре часа гидрогель восстанавливается на 80-90%, а спустя 24 часа полностью возвращает свою структуру. Образец толщиной всего в один миллиметр содержит около 10 000 слоёв нанолистов, благодаря чему материал обладает прочностью, сравнимой с человеческой кожей, и при этом остаётся эластичным.
Биологические материалы как источник вдохновения
«Этот проект — яркий пример того, как природные материалы вдохновляют нас на поиск новых сочетаний свойств для синтетических веществ. Представьте себе роботов с прочной, самовосстанавливающейся кожей или искусственные ткани, которые могут самостоятельно регенерироваться. Это фундаментальное открытие, способное изменить подход к разработке новых материалов», — говорит профессор Олли Иккала из Университета Аалто.
После дальнейших исследований и доработки для коммерческих нужд эта технология может найти применение в медицине, робототехнике и разработке защитных покрытий. Самовосстанавливающиеся синтетические ткани, гибкие роботы с защитными оболочками и медицинские материалы нового поколения могут стать реальностью благодаря этому исследованию.
«Прочные, жёсткие и самовосстанавливающиеся гидрогели долгое время оставались сложной задачей. Нам удалось обнаружить механизм, который укрепляет традиционно мягкие гидрогели. Это открытие может произвести революцию в разработке материалов с биологически вдохновлёнными свойствами», — заключает Чжан.
Исследование опубликовано в журнале Nature Materials.
