Натхненні живими істотами, від дерев до молюсків, дослідники з Техаського університету в Остіні вирішили створити пластик, дуже схожий на багато форм життя, твердий і жорсткий в одних місцях і м’який та еластичний в інших. Їх успіх — вперше використання тільки світла і каталізатора для зміни таких властивостей, як твердість і еластичність молекул одного й того ж типу — призвів до створення нового матеріалу, який у 10 разів міцніший за натуральний каучук і може призвести до більш гнучкої електроніки та робототехніки.
Результати опубліковані сьогодні у журналі Science.
“Це перший матеріал такого типу”, – сказав Захарія Пейдж, доцент кафедри хімії та автор статті. «Можливість керувати кристалізацією і, отже, фізичними властивостями матеріалу із застосуванням світла потенційно перетворює електроніку, що носиться, або приводи в м’якій робототехніці».
Вчені давно намагалися імітувати властивості живих структур, таких як шкіра та м’язи, за допомогою синтетичних матеріалів. У живих організмах структури часто легко поєднують такі властивості, як міцність і гнучкість. При використанні суміші різних синтетичних матеріалів для імітації цих властивостей матеріали часто виходять з ладу, розпадаються та рвуться на стиках між різними матеріалами.
Часто при поєднанні матеріалів, особливо якщо вони мають дуже різні механічні властивості, вони хочуть розійтися», – сказав Пейдж. Пейдж та його команда змогли контролювати та змінювати структуру матеріалу, схожого на пластик, використовуючи світло, щоб змінити те, як фірма чи еластичний матеріал буде.
Хіміки почали з мономеру, невеликої молекули, яка зв’язується з іншими, подібними до неї, утворюючи будівельні блоки для більших структур, званих полімерами, які були схожі на полімер, що міститься в пластикі, що найбільш часто використовується. Після тестування дюжини каталізаторів вони виявили один, який при додаванні до їх мономеру та освітленні видимим світлом приводив до напівкристалічного полімеру, подібного до того, що міститься в існуючому синтетичному каучуку. У областях, яких торкнулося світло, утворився твердіший і жорсткіший матеріал, тоді як неосвітлені області зберегли свої м’які еластичні властивості.
Оскільки речовина складається з одного матеріалу з різними властивостями, воно було міцнішим і могло розтягуватися далі, ніж більшість змішаних матеріалів.
Реакція протікає за кімнатної температури, мономер і каталізатор є у продажу, а як джерело світла в експерименті дослідники використовували недорогі сині світлодіоди. Реакція також займає менше години і зводить до мінімуму використання будь-яких небезпечних відходів, що робить процес швидким, недорогим, енергоефективним та екологічно безпечним.
Потім дослідники будуть прагнути розробити більше об’єктів із матеріалом, щоб продовжити перевірку його придатності для використання.
«Ми з нетерпінням чекаємо на вивчення методів застосування цієї хімії для створення 3D-об’єктів, що містять як тверді, так і м’які компоненти», — сказав перший автор Адріан Рілскі, докторант UT Austin.
Команда передбачає, що цей матеріал можна використовувати як гнучку основу для закріплення електронних компонентів у медичних пристроях або пристроях, що носяться. У робототехніці бажані міцні та гнучкі матеріали для покращення руху та довговічності.
Генрі Л. Катер, Келді С. Мейсон, Маршалл Дж. Аллен, Ентоні Дж. Арровуд, Бенні Д. Фріман і Габріель Е. Саноджа з Техаського університету в Остіні також зробили свій внесок у дослідження.
Дослідження фінансувалося Національним науковим фондом, Міністерством енергетики США та Фондом Роберта А. Уелча.
