Bio-inspireret hydrogel kan hurtigt skifte til stiv plast

Forskere fra Hokkaido University har udviklet en hydrogel, der gør det modsatte af polymerbaserede materialer, som plastikflasker, gør det normalt:deres materiale hærder, når det opvarmes og blødgøres, når det afkøles. Deres resultater, offentliggjort i tidsskriftet Avancerede materialer , kunne føre til fremstilling af beskyttelsestøj til trafik- og sportsrelaterede ulykker.

Takayuki Nonoyama og Jian Ping Gong fra Hokkaido University og deres kolleger blev inspireret af, hvordan proteiner forbliver stabile inde i organismer, der overlever i ekstreme varme miljøer, som varme kilder og termiske dybhavsåbninger. Normalt, varme "denaturerer" proteiner, ændre deres struktur og bryde deres bånd. Men proteinerne i termofile forbliver stabile med varme takket være forbedrede elektrostatiske interaktioner såsom ionbindinger.

Holdet udviklede en billig, giftfri polyakrylgel baseret på dette koncept. En gel sammensat af polyelektrolyt poly(acrylsyre) (PAAc) blev nedsænket i en vandig calciumacetatopløsning. PAAc i sig selv fungerer som ethvert andet polymerbaseret materiale og blødgør, når det opvarmes. Men når calciumacetat tilsættes, PAAc's siderester interagerer med calciumacetatmolekylerne, på en måde svarende til, hvad der sker inde i termofile proteiner, får PAAc til at handle meget anderledes.

Holdet fandt ud af, at deres oprindeligt ensartede gel adskilles i en polymertæt "fase" og en sparsom polymer, når temperaturen stiger. Når det når en kritisk temperatur, i dette tilfælde omkring 60°C, den tætte fase gennemgår betydelig dehydrering, hvilket styrker ionbindinger og hydrofobe interaktioner mellem polymermolekyler. Dette får materialet til hurtigt at forvandle sig fra en blød, gennemsigtig hydrogel til en stiv, uigennemsigtig plast.

Det opvarmede materiale var 1, 800 gange stivere, 80 gange stærkere, og 20 gange hårdere end den originale hydrogel. Den bløde-til-stive omskiftning var fuldstændig reversibel ved alternativt at opvarme og afkøle materialet. I øvrigt, forskerne kunne finjustere skiftetemperaturen ved at justere koncentrationen af ​​ingredienserne.

De demonstrerede derefter en mulig anvendelse af materialet ved at kombinere det med et vævet glasstof. Dette nye stof var blødt ved stuetemperatur, men da den blev trukket mod en asfaltoverflade i fem sekunder med en hastighed på 80 km/t, varmen, der blev genereret af friktionen, hærdede materialet med kun mindre afskrabninger på kontaktfladen.

Takayuki Nonoyama siger, "Tøj lavet af lignende stof kan bruges til at beskytte mennesker under trafik eller sportsrelaterede ulykker, for eksempel. Vores materiale kan også bruges som en varmeabsorberende vinduesbelægning for at holde indendørs miljøer køligere."

"Denne polymergel kan nemt fremstilles af alsidige, billige og ikke-giftige råvarer, der er almindeligt forekommende i dagligdagen. Specifikt, polyacrylsyrerne bruges i engangsbleer og calciumacetater bruges i fødevaretilsætningsstoffer, " Jian Ping Gong tilføjede. "Vores undersøgelse bidrager til grundforskning om nye temperaturfølsomme polymerer, og til anvendt forskning i temperaturfølsomme smarte materialer."