Группа ученых из университетов Колорадо, Калифорнии и Китая создала прозрачный, эластичный, электропроводный самовосстанавливающийся материал. Сложный синтетический полимер может быть использован для создания искусственной мышечной ткани — он обеспечивает достаточную электропроводность для передачи сигналов «нервной системы» и способен полностью восстанавливаться от механических повреждений при комнатной температуре. По словам ученых, на создание нового материала их вдохновил персонаж комиксов Росомаха, обладающий возможностями регенерации после тяжелых ранений, смертельных для обычного человека. Описание работы опубликовано в журнале Advanced Materials.
Самовосстанавливающиеся неорганические материалы — новая область материаловедения, источником вдохновения для нее является регенерация в биологических объектах. Большинство живых тканей или организмов обладают возможностями регенерации при условии умеренных повреждений: такую же способность к «самолечению» хотелось бы придать инженерным материалам, свойства которых, как правило, необратимо ухудшаются с течением времени.
История подобных материалов уходит корнями в древний Рим — в состав цементного состава римляне добавляли пуццолан (смесь вулканического пепла, туфа и пемзы), который обеспечивал кристаллизацию известкового раствора в местах трещин. В современных работах лучшие результаты по самовосстановлению получены в полимерах и эластомерах. Механизмы восстановления включают несколько методов: капсульный, диффузионный, и некоторые другие. Например, при капсульном методе микрокапсулы в составе материала в случае повреждения выпускают действующее вещество, которое скрепляет трещину (подобный механизм подробнее описан здесь). Другой подход включает использование термопластичных полимеров с различными способами включения залечивающего агента в материал. Как правило, механизмы восстановления требуют внешнего стимула для запуска процесса регенерации — например, воздействия высокой температурой, электричеством или светом.
За счет своих электропроводных свойств особое внимание привлекают ионные гидрогели, в состав которых включены гигроскопические соли-электролиты. Теоретически, такие материалы позволят объединять свойства эластичности, прозрачности, биосовместимости и электропроводности — однако, до сих пор не удавалось найти состав материала, который обладал бы всеми этими характеристиками одновременно.
Материал, описанный в новой работе, объединяет в себе свойства, на базе которых можно создавать «чувствительную» искусственную кожу, искусственную мышечную ткань и носимые акустические системы: прозрачность, эластичность, биосовместимость и отличную электропроводность. В отличие от более ранних аналогов, материал впервые использует ионно-дипольные связи — они обеспечивают высокую прозрачность материала и способность выдерживать значительные нагрузки, а также полное самовосстановление за 24 часа при комнатной температуре безо всяких внешних стимулов.
Материал создан из растяжимого полимера — фторсодержащего аналога полипропилена (PVDF-HFP), в комбинации с ионной жидкостью на базе одной из производных имидазола. Выбранный состав полимера демонстрирует высокий дипольный момент (в два раза выше аналогов), а ионная жидкость позволяет материалу оставаться пластичным при температурах даже ниже комнатной, а также обеспечивает мощное ионно-дипольное взаимодействие с молекулами полимера. Выбранный состав электролита не портится при контакте с воздухом и водой, а также не подвержен электрохимическим воздействиям, что значительно увеличивает срок службы состава. Еще одно преимущество полученного материала по сравнению с классическими ионными гелями — он содержит относительно небольшое количество электролита, что предотвращает протекание жидкости, сокращающее срок службы материала.
Тесты показали, что материал можно растянуть в 30 раз от первоначальной длины с сохранением исходных свойств, а разрез полностью затягивается за 24 часа при комнатной температуре, и всего за шесть часов при температуре 50 градусов Цельсия. Более того, достаточно пяти минут, чтобы материал восстановился при комнатной температуре настолько, чтобы выдержать двукратное растяжение.
Ученые рассчитывают на широкий диапазон применения нового материала: например, он может дать роботам возможность регенерации после механических повреждений, увеличить срок действия литий-ионным батареям, а также повысить качество биосенсоров, используемых в медицине и мониторинге окружающей среды.