Краще кевлара: вчені створили еластичний і міцний гідрогель, надихнувшись мембраною омара

Нове розуміння складної архітектури нижньої частини живота лобстера надало інженерам Массачусетського технологічного інституту модель нового жорсткого і еластичного гідрогелю. Матеріал імітує спіралевидну структуру природної броні істоти, що надає йому велику міцність і стійкість до розривів.

Вивчивши черевну мембрану омара, інженери відтворили її складну структуру з помошшю синтетичних волокон, отримавши дуже міцний і гнучкий гідрогель

Новий матеріал є результатом паралельних досліджень, одне з яких зосереджено на розробці гідрогелів під керівництвом професора машинобудування Сюаньхе Чжао. Дослідники з групи Чжао працювали над стійкими до втоми гідрогелями, які зроблені з води і зв'язок полімерів і складаються з ультратонких волокон, вирівняних як пучок соломи. Це дозволяє їм без розривів переносити повторювані напади розтягнення і скручування.

Разом з тим, інша група вчених Массачусетського технологічного інституту нещодавно опублікувала дослідження, що описує механічні властивості нижньої частини живота омара. Поперечні перерізи цієї захисної мембрани формують листи, зроблені з природного полімеру (хітина), які покладені один на одного під кутом 36 градусів, як біля гвинтових сходів. Це так звана «структура Булігана», і дослідники кажуть, що вона стала ключем до природної розтяжливості і міцності мембрани.

«Хітін, організований за принципом структури Булігана в нижній частині живота омара, володіє високими механічними характеристиками, що спонукало нас спробувати відтворити аналогічні структури в синтетичних матеріалах», - розповів автор дослідження Шаотін Лінь.

Вчені об'єдналися для відтворення цієї структури з використанням стійких до втоми гідрогелів. Вони сформували ультратонкі ниток діаметром близько 800 нанометрів, які були скомпановані разом, утворюючи плоскі плівки. Ці плівки потім були зварені в камері з високою вологістю, а після кристалізовані в інкубаторі.

Коли всі приготування були зроблені, п'ять плівок поклали один на одного під кутом 36 градусів, щоб сформувати спіралевидну структуру, що нагадує мембрану омара. Цей пакет знову був зварений і кристалізований, щоб зміцнити матеріал і отримати фрагмент гідрогелю розміром з невеликий шматок скотчу.

Випробування на розтягнення показали, що гідрогель настільки ж стійкий до розривів і тріщин, як і природна мембрана. Вчені також зробили кілька надрізів у плівці, щоб побачити, як поширюються тріщини при розтягненні. Виявилося, що загальний принцип організації волокон, мабуть, стримує пошкодження і мінімізує їх. В результаті у дослідників вийшов матеріал, в 50 разів більш стійкий до втоми, ніж звичайні нановолокнисті гідрогелі.

«Інтуїтивно зрозуміло, що коли тріщина в матеріалі поширюється через один шар, їй перешкоджають сусідні шари, в яких волокна розташовані під різними кутами», - пояснює Лін.

Вчені також провели випробування на ударопрочність, «розстрілявши» гідрогель мікрочастинками на високій швидкості. Виявилося, що матеріал непогано гасить енергію удару і витримує до 40 кілоджоулів на кілограм речовини.

«Це означає, що 5-міліметрова сталева куля, випущена зі швидкістю 200 метрів на секунду, буде зупинена всього 13 міліметрами матеріалу», - пояснив автор дослідження Девід Вейссет. «Може він і не такий міцний, як кевлар (в аналогічних умовах буде потрібно шар кевлара 1 міліметр завтовшки), але в багатьох інших категоріях наш гідрогель вже залишив кевлар позаду».

Еластичність - одна з категорій, в якій цей гідрогель перевершує кевлар. Вчені вважають, що це, в поєднанні з його чудовою міцністю, одного разу дозволить використовувати новий матеріал в якості гнучких і міцних штучних тканин, таких як зв'язки і сухожилля. Це потребує значного збільшення масштабів процесу виготовлення, хоча команда натхнена перспективами.

«Щоб гідрогелевий матеріал був несучою штучною тканиною, необхідні як міцність, так і деформованість», - пояснив Лінь. «Наш гідрогель легко може досягти і того, і іншого в потрібній мірі».