Воздушный шарик из гидрогеля выдержал вес человека

Материаловеды из Китая получили гидрогель из катионного мономера, содержащего большое количество полимерных клубков. Благодаря тому, что клубки легко распутывались при деформации, гидрогель оказался очень эластичным и выдерживал растяжение на 10000 процентов относительно исходной площади образца. Кроме того, он обладал ионной проводимостью и быстро самозаживлялся после небольших повреждений, а также оказался очень прочным и не лопнул, даже когда на него встал человек весом 50 килограмм. Исследование опубликовано в Science.

Гидрогели состоят из сшитых цепочек полимеров, обладающих гидрофильными свойствами. При погружении в воду гидрогели сильно увеличиваются в объеме, впитывая в себя большое количество воды. Как правило, гидрогели очень мягкие, эластичные и деформируемые, но быстро высыхают на воздухе при низкой влажности. Максимальные значения обратимой деформации для самых эластичных гидрогелей сейчас близки к 3000 процентов относительно исходной площади образца.

Но недавно материаловеды под руководством Чао Вана (Chao Wang) из Университета Цинхуа превзошли планку в 3000 процентов. Для этого они провели радикальную полимеризацию 2-(акрилоилокси)этилтриметиламмоний хлорида в воде и получили очень эластичный гидрогель. Конверсия мономера согласно ЯМР-спектроскопии составила 92 процента, а средневесовая молекулярная масса полимера — 3,895×10⁶ грамм на моль.

Как выяснили химики с помощью малоуглового рентгеновского рассеяния и атомно-силовой микроскопии, полученный полимер имел структуру жемчужного ожерелья. То есть, он состоял из полимерных цепочек, свернутых в клубки и способных раскручиваться при деформации. Такая структура, по мнению ученых, образовывалась за счет гидрофобных взаимодействий алкильных цепочек, образующих клубки — и, наоборот, гидрофильных связок, содержащих аммонийные катионы.

Благодаря такой структуре полученный гидрогель оказался очень эластичным. Плоские образцы гидрогеля ученые растягивали в разные стороны с увеличением площади в 100 раз, а также надували из них воздушные шарики, превосходящие исходные образцы по объему в 1000 раз. При этом деформация была практически полностью обратимой — растянутые пленки возвращались в исходную форму за пару секунд.

Также химики показали, что полученный материал может самоизлечиваться примерно за секунду после небольших проколов иглой или ножом. Ученые надували из образцов гидрогеля шарики, протыкали их, а затем снова надували через пару секунд — при этом они не наблюдали утечки воздуха. Кроме того, как показали исследователи, на воздушном шарике из гидрогеля может стоять пятидесятикилограммовый человек — и после деформации шарик возвращается в исходный вид.

Так ученые получили очень эластичный гидрогель из простого исходного мономера. Как считают авторы исследования, материал можно будет применять для создания манипуляторов и мягкой электроники.

Ранее мы рассказывали о том, как американские материаловеды применили гидрогель для очистки воды.