Lasermønstrede tynde film, der svulmer til kirigami-lignende strukturer, giver nye muligheder inden for hydrogelteknologi

Nye muligheder for at lave fint strukturerede bløde, fleksible og udvidelige materialer kaldet hydrogeler er blevet udviklet af forskere ved Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT).

Deres arbejde udvider det nye felt af "kirigami-hydrogeler", hvor mønstre skæres til en tynd film, så det senere kan svulme op til komplekse hydrogelstrukturer. Forskningen er publiceret i tidsskriftet Science and Technology of Advanced Materials .

Hydrogeler har et netværk af vandtiltrækkende (hydrofile) molekyler, som tillader deres struktur at svulme væsentligt op, når de udsættes for vand, der bliver inkorporeret i det molekylære netværk. Forskerne Daisuke Nakagawa og Itsuo Hanasaki arbejdede med en oprindeligt tør film bestående af nanofibre af cellulose, det naturlige materiale, der danner meget af strukturen af ​​plantecellevægge.

De brugte laserbehandling til at skære strukturer ind i filmen, før der blev tilsat vand, hvilket tillod filmen at svulme. Det særlige design af Kirigami-mønsteret fungerer på en sådan måde, at bredden øges, når den strækkes i længderetningen, hvilket kaldes den auxetiske egenskab. Denne auxetiske egenskab fremkommer, forudsat at tykkelsen vokser tilstrækkeligt, når den oprindelige tynde film er våd.

"Da Kirigami bogstaveligt betyder det udskårne design af papirer, var det oprindeligt beregnet til tynde arkstrukturer. På den anden side manifesterer vores todimensionelle auxetiske mekanisme sig, når tykkelsen af ​​arket er tilstrækkelig, og denne tredimensionalitet af hydrogelstrukturen opstår ved at hæve, når det bruges. Det er praktisk at opbevare det i tør tilstand før brug, i stedet for at holde det samme vandindhold i hydrogelen," siger Hanasaki.

"Yderligere opretholdes auxeticiteten under den cykliske belastning, der får den adaptive deformation af hydrogelen til at nå en anden strukturel tilstand. Det vil være vigtigt for design af intelligente materialer."

Potentielle applikationer for de adaptive hydrogeler inkluderer bløde komponenter af robotteknologier, som giver dem mulighed for at reagere fleksibelt, når de interagerer med objekter, de manipulerer, for eksempel. De kan også være indbygget i bløde kontakter og sensorkomponenter.

Hydrogeler udforskes også til medicinske anvendelser, herunder vævsteknologi, sårforbindinger, lægemiddelleveringssystemer og materialer, der kan tilpasse sig fleksibelt til bevægelse og vækst. Fremskridtet inden for kirigami-hydrogeler opnået af TUAT-teamet udvider mulighederne for fremtidige hydrogelapplikationer markant.

"Det er fordelagtigt for udviklingen af ​​multifunktionalitet at bevare de designede egenskaber og samtidig vise tilpasningsevne til de miljømæssige forhold," konkluderer Hanasaki.

Flere oplysninger: Daisuke Nakagawa et al., Adaptiv plasticitet af auxetisk Kirigami-hydrogel fremstillet af anisotropisk opsvulmning af cellulosenanofiberfilm, Science and Technology of Advanced Materials (2024). DOI:10.1080/14686996.2024.2331959

Journaloplysninger: Videnskab og teknologi for avancerede materialer

Leveret af National Institute for Materials Science