Природа разработала инновационные способы решения сложной задачи: мидии и ракушки упрямо приклеиваются к скалам, корпусам кораблей и даже коже китов. Точно так же сухожилия и хрящи прикрепляются к костям с невероятной прочностью, что придает животным гибкость и подвижность.
Естественным клеем во всех этих случаях является гидрогель - липкая смесь воды и липкого материала, которая создает прочное и долговечное соединение.
Теперь инженеры Массачусетского технологического института разработали метод изготовления синтетического липкого гидрогеля, который более чем на 90 процентов состоит из воды. Гидрогель, представляющий собой прозрачный резиноподобный материал, может прилипать к таким поверхностям, как стекло, кремний, керамика, алюминий и титан, с прочностью, сравнимой с соединением сухожилия и хряща с костью.
В экспериментах, чтобы продемонстрировать его надежность, исследователи поместили небольшой квадрат своего гидрогеля между двумя стеклянными пластинами, к которым они затем подвешивали 55-фунтовый груз. Они также приклеили гидрогель к кремниевой пластине, которую затем разбили молотком. Хотя кремний раскололся, его кусочки остались на месте.
Такая долговечность делает гидрогель идеальным кандидатом для защитных покрытий на подводных поверхностях, таких как лодки и подводные лодки. Поскольку гидрогель является биосовместимым, он также может быть пригоден для ряда применений, связанных со здоровьем, таких как биомедицинские покрытия для катетеров и датчиков, имплантированных в тело.
«Вы можете представить себе новые области применения этого очень прочного, клейкого, но мягкого материала», - говорит Сюаньхэ Чжао, доцент Роберта Н. Нойса по развитию карьеры на факультете машиностроения Массачусетского технологического института. Например, группа Чжао в настоящее время изучает возможности использования гидрогеля в мягкой робототехнике, где материал может служить синтетическим сухожилием и хрящом или в гибких суставах..
«Это довольно прочный и клейкий гель, состоящий в основном из воды», - говорит Хюнву Юк, аспирант машиностроения и ведущий автор статьи о работе. «По сути, это жесткая связующая вода».
Чжао и его ученики публикуют свои результаты сегодня в журнале Nature Materials.
Эластичный якорь
Прочный, гибкий гидрогель, который прочно связывается, требует двух характеристик, как обнаружил Чжао: рассеяние энергии и химическая фиксация. Гидрогель, который рассеивает энергию, по существу, способен значительно растягиваться, не сохраняя всю энергию, затраченную на его растяжение. Химически закрепленный гидрогель прилипает к поверхности, ковалентно связывая свою полимерную сеть с этой поверхностью.
«Химическая фиксация плюс рассеяние массы приводят к прочному склеиванию», - говорит Чжао. «Сухожилия и хрящи используют их, так что мы действительно учимся этому принципу у природы».
При разработке гидрогеля Юк смешал раствор воды с диссипативным ингредиентом, чтобы создать эластичный, эластичный материал. Затем он поместил гидрогель на различные поверхности, такие как алюминий, керамика, стекло и титан, каждая из которых была модифицирована функциональными силанами - молекулами, которые создавали химические связи между каждой поверхностью и ее гидрогелем.
Затем исследователи проверили сцепление гидрогеля с помощью стандартного теста на отслаивание, в ходе которого они измерили силу, необходимую для отрыва гидрогеля от поверхности. В среднем они обнаружили, что сила сцепления гидрогеля составляет 1000 Дж на квадратный метр - примерно на том же уровне, что и сухожилия и хрящи на кости.
Группа Zhao сравнила эти результаты с существующими гидрогелями, а также с эластомерами, клеями для тканей и гелями с наночастицами и обнаружила, что новый гидрогелевый клей имеет как более высокое содержание воды, так и гораздо более сильную адгезионную способность.
"По сути, мы побили мировой рекорд прочности сцепления гидрогелей, и на это нас вдохновила природа", - говорит Юк.
Липкая робототехника
В дополнение к тестированию прочности гидрогеля с помощью молотка и груза, Чжао и его коллеги исследовали его использование в роботизированных соединениях, используя небольшие сферы гидрогеля для соединения коротких труб, чтобы имитировать роботизированные конечности.
«Гидрогели могут действовать как приводы», - говорит Чжао. «Вместо использования обычных шарниров вы можете использовать этот мягкий материал с прочной связью с жесткими материалами, и он может дать роботу гораздо больше степеней свободы».
Исследователи также изучили его применение в качестве электрического проводника. Юк и другие студенты добавили соли в образец гидрогеля и прикрепили гидрогель к двум металлическим пластинам, соединенным электродами со светодиодной лампой. Они обнаружили, что гидрогель обеспечивает поток ионов соли в электрическом контуре, в конечном итоге зажигая светодиод.
«Мы создаем чрезвычайно прочные интерфейсы для гибридных проводников из гидрогеля и металла», - добавляет Юк.
Группа Чжао в настоящее время больше всего заинтересована в изучении использования гидрогеля в мягкой робототехнике, а также в биоэлектронике.
«Поскольку гидрогель содержит более 90 процентов воды, склеивание можно рассматривать как водный клей, который более прочен, чем натуральные клеи, такие как ракушки и мидии, а также подводные клеи на основе биотехнологий», - говорит Чжао. «Работа имеет большое значение для понимания биоадгезии, а также для практических применений, таких как гидрогелевые покрытия, биомедицинские устройства, тканевая инженерия, очистка воды и подводные клеи».