Лучше кевлара: ученые создали эластичный и прочный гидрогель, вдохновившись мембраной омара
Новый материал является результатом параллельных исследований, одно из которых сосредоточено на продолжающейся разработке гидрогелей под руководством профессора машиностроения Сюаньхэ Чжао. Исследователи из группы Чжао работали над устойчивыми к усталости гидрогелями, которые сделаны из воды и связок полимеров и состоят из ультратонких волокон, выровненных как пучок соломы. Это позволяет им без разрывов переносить повторяющиеся приступы растяжения и скручивания.
Вместе с тем, другая группа ученых Массачусетского технологического института недавно опубликовала исследование, описывающее механические свойства нижней части живота омара. Поперечные сечения этой защитной мембраны формируют листы, сделанные из природного полимера (хитина), которые уложены друг на друга под углом 36 градусов, как у винтовой лестницы. Это так называемая «структура Булигана», и исследователи говорят, что она стала ключом к естественной растяжимости и прочности мембраны.
«Хитин, организованный по принципу структуры Булигана в нижней части живота омара, обладает высокими механическими характеристиками, что побудило нас попытаться воспроизвести аналогичные структуры в синтетических материалах», — рассказал автор исследования Шаотин Линь.
Ученые объединились для воссоздания этой структуры с использованием устойчивых к усталости гидрогелей. Они сформировали ультратонкие нитей диаметром около 800 нанометров, которые были скомпанованы вместе, образуя плоские пленки. Эти пленки затем были сварены в камере с высокой влажностью, а после кристаллизованы в инкубаторе.
Когда все приготовления были сделаны, пять пленок уложили друг на друга под углом 36 градусов, чтобы сформировать спиралевидную структуру, напоминающую мембрану омара. Этот пакет снова был сварен и кристаллизован, чтобы упрочить материал и получить фрагмент гидрогеля размером с небольшой кусок скотча.
Испытания на растяжение показали, что гидрогель столь же устойчив к разрывам и трещинам, как и естественная мембрана. Ученые также сделали несколько надрезов в пленке, чтобы увидеть, как распространяются трещины при растяжении. Оказалось, что общий принцип организации волокон, по-видимому, сдерживает повреждения и минимизирует их. В результате у исследователей получился материал, в 50 раз более устойчивый к усталости, чем обычные нановолокнистые гидрогели.
«Интуитивно понятно, что когда трещина в материале распространяется через один слой, ей препятствуют соседние слои, в которых волокна расположены под разными углами», — объясняет Лин.
Ученые также провели испытания на ударопрочность, «расстреляв» гидрогель микрочастицами на высокой скорости. Оказалось, что материал неплохо гасит энергию удара и выдерживает до 40 килоджоулей на килограмм вещества.
«Это означает, что 5-миллиметровый стальной шар, выпущенный со скоростью 200 метров в секунду, будет остановлен всего 13 миллиметрами материала», — пояснил автор исследования Дэвид Вейссет. «Может он и не такой прочный, как кевлар (в аналогичных условиях потребуется слой кевлара 1 миллиметр толщиной), но во многих других категориях наш гидрогель уже оставил кевлар позади».
Эластичность — одна из категорий, в которой этот гидрогель превосходит кевлар. Ученые полагают, что это, в сочетании с его превосходной прочностью, однажды позволит использовать новый материал в качестве гибких и прочных искусственных тканей, таких как связки и сухожилия. Это потребует значительного увеличения масштабов процесса изготовления, хотя команда воодушевлена перспективами.
«Чтобы гидрогелевый материал был несущей искусственной тканью, необходимы как прочность, так и деформируемость», — объяснил Линь. «Наш гидрогель легко может достичь и того, и другого в нужной степени».
Изучив брюшную мембрану омара, инженеры воссоздали ее сложную структуру с помошью синтетических волокон, получив очень прочный и гибкий гидрогель