Материаловеды из Китая получили гидрогель из катионного мономера, содержащего большое количество полимерных клубков. Благодаря тому, что клубки легко распутывались при деформации, гидрогель оказался очень эластичным и выдерживал растяжение на 10000 процентов относительно исходной площади образца. Кроме того, он обладал ионной проводимостью и быстро самозаживлялся после небольших повреждений, а также оказался очень прочным и не лопнул, даже когда на него встал человек весом 50 килограмм. Исследование опубликовано в Science.
Эта новость появилась на N + 1 при поддержке ежегодной Национальной премии в области будущих технологий «Вызов». В 2023 году ее присудили за ионный квантовый процессор, магниты из высокотемпературного сверхпроводника, вычислительные устройства на основе поляритонов и оптический транзистор, а также открытия, позволившие создать новые подходы для лечения заболеваний мозга
Гидрогели состоят из сшитых цепочек полимеров, обладающих гидрофильными свойствами. При погружении в воду гидрогели сильно увеличиваются в объеме, впитывая в себя большое количество воды. Как правило, гидрогели очень мягкие, эластичные и деформируемые, но быстро высыхают на воздухе при низкой влажности. Максимальные значения обратимой деформации для самых эластичных гидрогелей сейчас близки к 3000 процентов относительно исходной площади образца.
Но недавно материаловеды под руководством Чао Вана (Chao Wang) из Университета Цинхуа превзошли планку в 3000 процентов. Для этого они провели радикальную полимеризацию 2-(акрилоилокси)этилтриметиламмоний хлорида в воде и получили очень эластичный гидрогель. Конверсия мономера согласно ЯМР-спектроскопии составила 92 процента, а средневесовая молекулярная масса полимера — 3,895×106 грамм на моль.
Как выяснили химики с помощью малоуглового рентгеновского рассеяния и атомно-силовой микроскопии, полученный полимер имел структуру жемчужного ожерелья. То есть, он состоял из полимерных цепочек, свернутых в клубки и способных раскручиваться при деформации. Такая структура, по мнению ученых, образовывалась за счет гидрофобных взаимодействий алкильных цепочек, образующих клубки — и, наоборот, гидрофильных связок, содержащих аммонийные катионы.
Благодаря такой структуре полученный гидрогель оказался очень эластичным. Плоские образцы гидрогеля ученые растягивали в разные стороны с увеличением площади в 100 раз, а также надували из них воздушные шарики, превосходящие исходные образцы по объему в 1000 раз. При этом деформация была практически полностью обратимой — растянутые пленки возвращались в исходную форму за пару секунд.
Также химики показали, что полученный материал может самоизлечиваться примерно за секунду после небольших проколов иглой или ножом. Ученые надували из образцов гидрогеля шарики, протыкали их, а затем снова надували через пару секунд — при этом они не наблюдали утечки воздуха. Кроме того, как показали исследователи, на воздушном шарике из гидрогеля может стоять пятидесятикилограммовый человек — и после деформации шарик возвращается в исходный вид.
Так ученые получили очень эластичный гидрогель из простого исходного мономера. Как считают авторы исследования, материал можно будет применять для создания манипуляторов и мягкой электроники.
Ранее мы рассказывали о том, как американские материаловеды применили гидрогель для очистки воды.
