Ny proces indsnævrer kløften mellem naturlige og syntetiske materialer

Naturmaterialer som hud, brusk og sener er hårde nok til at understøtte vores kropsvægt og bevægelser, alligevel fleksible nok til at de ikke revner let. Selvom vi tager disse ejendomme for givet, at replikere denne unikke kombination i syntetiske materialer er meget sværere end det lyder. Nu, forskere ved EPFL har udviklet en ny måde at gøre stærke, smidige sammensatte polymerer, der nærmere efterligner materialer, der findes i den naturlige verden. Deres gennembrud, beskrevet i et papir, der vises i Avancerede funktionelle materialer , kunne have applikationer inden for områder som blød robotik og bruskproteseimplantater.

Normalt, syntetiske hydrogeler falder i to meget forskellige materialekategorier. Den første type, som inkluderer vinduesglas og nogle polymerer, er hårde og bærende, men notorisk dårlige til at absorbere energi:selv den mindste revne kan sprede sig gennem strukturen. Materialer i den anden gruppe er bedre i stand til at modstå revner, men der er en afvejning:de er ekstremt bløde-så bløde, faktisk, at de ikke kan bære tunge belastninger. Alligevel nogle naturlige kompositter - fremstillet af en kombination af biologiske materialer og proteiner, herunder kollagen-er både stærke og revnebestandige. De skylder disse egenskaber deres meget præcise struktur, fra nano til millimeter skalaer:f.eks. vævede fibre er organiseret i større strukturer, der igen danner andre strukturer, og så videre.

"Vi er stadig langt fra at kunne kontrollere strukturen af ​​syntetiske materialer i så mange forskellige skalaer, siger Esther Amstad, en adjunkt ved EPFL's Soft Materials Laboratory og papirets hovedforfatter. Alligevel har Matteo Hirsch og Alvaro Charlet - to doktorassistenter, der arbejder under Amstads vejledning - udtænkt en ny tilgang til at bygge syntetiske kompositter, tager deres tegn fra den naturlige verden. "I naturen, grundlæggende byggesten er indkapslet i rum, som derefter frigives på en meget lokaliseret måde, "forklarer Amstad." Denne proces giver større kontrol over et materiales endelige struktur og lokale sammensætning. Vi havde en lignende tilgang, arrangere vores egne byggesten i rum og derefter samle dem til en overbygning. "

Først, forskerne indkapslede monomerer i dråber af en vand-og-olie-emulsion, som tjener som rum. Inde i dråberne, monomerer binder sammen til et netværk af polymerer. På dette tidspunkt, mikropartiklerne er stabile, men interaktionerne mellem dem er svage, hvilket betyder at materialet ikke holder godt sammen. Næste, mikropartiklerne - som er meget porøse som svampe - blev gennemblødt i en anden type monomer, før materialet blev reduceret til at danne en slags pasta. Dens udseende, som Alvaro Charlet udtrykker det, er "lidt ligesom vådt sand, der kan formes til et sandslot".

Forskerne trykte derefter pastaen og eksponerede den for UV-stråling. Dette fik monomererne tilsat ved det andet trin til at polymerisere. Disse nye polymerer sammenflettet med dem, der blev dannet tidligere i processen, derved hærde pastaen. Det resulterede i en usædvanlig stærk, slidstærkt materiale. Forskergruppen viste, at et rør på kun 3 mm på tværs kan modstå en trækbelastning på op til 10 kg og en trykbelastning på op til 80 kg uden at beskadige dets strukturelle integritet.

Deres opdagelse har potentielle anvendelser inden for blød robotik, hvor materialer, der efterligner levende vævs egenskaber, er meget eftertragtede. Den banebrydende proces kan også anvendes til at udvikle biokompatible materialer til bruskproteseimplantater.