Вдохновленные живыми существами, от деревьев до моллюсков, исследователи из Техасского университета в Остине решили создать пластик, очень похожий на многие формы жизни, твердый и жесткий в одних местах и ​​мягкий и эластичный в других. Их успех — впервые использование только света и катализатора для изменения таких свойств, как твердость и эластичность молекул одного и того же типа — привел к созданию нового материала, который в 10 раз прочнее натурального каучука и может привести к более гибкому электроника и робототехника.

Результаты опубликованы сегодня в журнале Science.

«Это первый материал такого типа», — сказал Захария Пейдж, доцент кафедры химии и автор статьи. «Возможность управлять кристаллизацией и, следовательно, физическими свойствами материала с применением света потенциально преобразует носимую электронику или приводы в мягкой робототехнике».

Ученые давно пытались имитировать свойства живых структур, таких как кожа и мышцы, с помощью синтетических материалов. В живых организмах структуры часто легко сочетают в себе такие свойства, как прочность и гибкость. При использовании смеси различных синтетических материалов для имитации этих свойств материалы часто выходят из строя, распадаются и рвутся на стыках между разными материалами.

Часто при соединении материалов, особенно если они имеют очень разные механические свойства, они хотят разойтись», — сказал Пейдж. Пейдж и его команда смогли контролировать и изменять структуру материала, похожего на пластик, используя свет, чтобы изменить то, как фирма или эластичный материал будет.

Химики начали с мономера, небольшой молекулы, которая связывается с другими, подобными ей, образуя строительные блоки для более крупных структур, называемых полимерами, которые были похожи на полимер, содержащийся в наиболее часто используемом пластике. После тестирования дюжины катализаторов они обнаружили один, который при добавлении к их мономеру и освещении видимым светом приводил к полукристаллическому полимеру, подобному тому, который содержится в существующем синтетическом каучуке. В областях, которых коснулся свет, образовался более твердый и жесткий материал, в то время как неосвещенные области сохранили свои мягкие эластичные свойства.

Поскольку вещество состоит из одного материала с разными свойствами, оно было прочнее и могло растягиваться дальше, чем большинство смешанных материалов.

Реакция протекает при комнатной температуре, мономер и катализатор имеются в продаже, а в качестве источника света в эксперименте исследователи использовали недорогие синие светодиоды. Реакция также занимает менее часа и сводит к минимуму использование любых опасных отходов, что делает процесс быстрым, недорогим, энергоэффективным и экологически безопасным.

Затем исследователи будут стремиться разработать больше объектов с материалом, чтобы продолжить проверку его пригодности для использования.

«Мы с нетерпением ждем изучения методов применения этой химии для создания 3D-объектов, содержащих как твердые, так и мягкие компоненты», — сказал первый автор Адриан Рилски, докторант UT Austin.

Команда предполагает, что этот материал можно использовать в качестве гибкой основы для закрепления электронных компонентов в медицинских устройствах или носимых устройствах. В робототехнике желательны прочные и гибкие материалы для улучшения движения и долговечности.

Генри Л. Катер, Келди С. Мейсон, Маршалл Дж. Аллен, Энтони Дж. Арровуд, Бенни Д. Фриман и Габриэль Э. Саноджа из Техасского университета в Остине также внесли свой вклад в исследование.

Исследование финансировалось Национальным научным фондом, Министерством энергетики США и Фондом Роберта А. Уэлча.