Onderzoekers hebben een unieke hydrogel gecreëerd die zowel sterk als zelfherstellend is, dankzij nanosheet-versterkte polymeerverstrengelingen. Het materiaal, dat zichzelf binnen enkele uren kan herstellen, zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de kunstmatige huid, robotica en medische toepassingen.
Gels zijn te vinden in alles, van haarproducten tot voedingsmiddelen met een geleiachtige textuur. Hoewel de menselijke huid enkele gelachtige eigenschappen heeft, is deze moeilijk te repliceren. De huid is zowel stijf als elastisch en heeft een buitengewoon vermogen om zichzelf te genezen – vaak volledig herstellend binnen 24 uur na het letsel.
Tot nu toe konden kunstmatige gels alleen de hardheid van de huid of het vermogen om zichzelf te herstellen nabootsen, maar niet beide. Een onderzoeksteam van de Universiteit van Aalto en de Universiteit van Bayreuth heeft deze beperking nu overwonnen. Ze hebben een hydrogel ontwikkeld met een unieke structuur die kracht en zelfgenezend vermogen combineert, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor vooruitgang op het gebied van medicijntoediening, wondgenezing, zachte robotica en kunstmatige huid.
In dit baanbrekende onderzoek hebben onderzoekers een hydrogel verbeterd door ultradunne grote nanoplaten van klei toe te voegen. Hydrogels zijn meestal zacht, maar het nieuwe materiaal vormt een zeer geordende structuur met dicht verstrengelde polymeren tussen nanosheets. Hierdoor wordt de hydrogel niet alleen sterker, maar kan deze ook zichzelf genezen na beschadiging.
Het onderzoek werd vandaag (7 maart) gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Nature Materials.
Het geheim van dit materiaal ligt niet alleen in de geordende opstelling van de nanosheets, maar ook in de wirwar van polymeren tussen de nanosheets, en een proces dat zo simpel is als bakken. Postdoctoraal onderzoeker Chen Liang mengde het monomeerpoeder met water dat de nanosheets bevatte. Het mengsel wordt vervolgens onder een UV-lamp geplaatst - een stylinglamp die lijkt op gelnagellak. "De ultraviolette straling van de UV-lamp zorgt ervoor dat de individuele moleculen zich aan elkaar binden, waardoor alles in een elastische vaste stof verandert - een gel", legt Liang uit.
Zhang Hang van de Aalto Universiteit voegde hieraan toe: "Verstrengeling betekent dat dunne polymeerlagen met elkaar beginnen te verstrengelen als kleine wollen garens, maar in een willekeurige volgorde. Wanneer de polymeren volledig verstrengeld zijn, zijn ze niet meer van elkaar te onderscheiden. Ze zijn zeer actief en mobiel op moleculair niveau, en als je ze doorknipt, beginnen ze weer met elkaar te verstrengelen."
Vier uur nadat het met een mes was gesneden, was het materiaal al voor 80% of 90% zelfherstellend. Bovendien bevat de één millimeter dikke hydrogel 10.000 lagen nanosheets, waardoor het materiaal zo stijf is als de menselijke huid en dezelfde mate van rek en flexibiliteit heeft.
"De stijfheid, sterkte en zelfherstellende eigenschappen van hydrogels zijn lange tijd een uitdaging geweest. We hebben een mechanisme ontdekt dat traditionele zachte hydrogels versterkt. Dit zal een revolutie teweegbrengen in de ontwikkeling van nieuwe materialen met bio-geïnspireerde eigenschappen."
"Dit werk is een spannend voorbeeld van hoe biomaterialen ons kunnen inspireren om nieuwe combinaties van eigenschappen voor synthetische materialen te vinden. Stel je robots voor met een duurzame, zelfherstellende huid, of synthetische weefsels die autonoom kunnen herstellen", zegt Olli Ikkala van de Aalto Universiteit. Hoewel praktische toepassingen misschien nog ver weg zijn, vormen de huidige resultaten een cruciale sprong voorwaarts. Dit is een fundamentele ontdekking die de ontwerpregels voor materialen zou kunnen actualiseren.
Samengesteld uit /scitechdaily