Poslednjih godina naučnici o materijalima stvaraju nove materijale sa različitim korisnim svojstvima koja bi mogla da poboljšaju performanse različitih tehnologija i uređaja. Ovo uključuje vlakna na bazi hidrogela i veštačke kože, koje bi mogle pomoći u stvaranju mekih humanoidnih robota, protetika, pa čak i udobne pametne odeće ili nosivih uređaja.
Istraživači sa Univerziteta Donghua u Kini nedavno su kreirali nova mikrovlakna na bazi hidrogela koja su robusna, samozaleljiva i otporna na pukotine. Ova mikrovlakna, predstavljena u Nature Communications, proizvedena su korišćenjem procesa inspirisanog načinom na koji pauci vrte svoje mreže.
„Primijetili smo da iako je mnogo sintetičkih hidrogelnih vlakana sintetizovano da oponašaju osnovne funkcije bioloških vlakana kao što su svila, mišićna i nervna vlakna, većina njih ima veoma slabu otpornost na oštećenja, što u velikoj meri ograničava njihovu trajnost“, rekao je Shengtong Sun, jedan istraživača koji su sproveli studiju, rekli su za Tech Ksplore. „Ovo se može rešiti učenjem strukture paukove svile, koja predstavlja skoro granicu žilavosti poznatih prirodnih bioloških materijala.“
Pauci pletu veoma jake svilene mreže od vodene droge, tečnog kristalnog rastvora u kome se proteinski molekuli mogu slobodno kretati, zadržavajući određeni stepen reda. Mreže koje kreiraju prate hijerarhijsku nanoograničenu strukturu sa povoljnim mehaničkim svojstvima.
„Predvideli smo da bi jonski kompleks higroskopskog, pozitivno naelektrisanog polielektrolita (PDMAEA-K) i polimetakrilne kiseline (PMAA) mogao biti idealan sistem za proizvodnju hidrogelnih vlakana otpornih na oštećenja. Sun je objasnio. „U formiranom vlaknu, PMAA bi formirao jake vodonične klastere ugrađene u mekanu matricu jonskih kompleksa. Ovo bi teoretski moglo oponašati nanoograničenu strukturu paukove svile za poboljšane mehaničke performanse.“
Hidrogel mikrovlakna istraživača proizvedena su u ambijentalnim uslovima, baš kao i ona u kojima pauci proizvode svoju mrežu. Oni su koristili tehniku poznatu kao pultrusion spinning da formiraju vlakna iz vodenog rastvora koji sadrži PMAA i PDMAEA-K.
„Spontano nanokonfiniranje PMAA lanaca (H-vezanih klastera) prirodno se javlja tokom isparavanja vode kao odvojene nanofaze ugrađene u meku PDMAEA-K/PMAA matricu“, rekao je Sun. „Takva hijerarhijska nanokonfinacija daje hidrogel mikrovlaknima sa veoma visokim mehaničkim svojstvima. Na primer, hidrogel vlakno je prilično robusno sa visokim Jangovim modulom od 428 MPa i izduženjem od 219%.“
U početnim procenama, mikrovlakna koje su kreirali istraživači pokazala su veoma obećavajuća svojstva. Na primer, utvrđeno je da imaju visok kapacitet prigušenja i otpornost na pukotine, kao i visoku osetljivost na vlagu što im je omogućilo da se skupljaju, zadržavaju specifične oblike i brzo „samozaleče“ kada su oštećeni.
„Uopšteno govoreći, visoka mehanička svojstva zahtevaju snažno kovalentno vezivanje, dok sposobnost brze popravke zahteva veoma dinamične mreže, koje su inherentno kontradiktorne“, rekao je Sun. „Mi se bavimo ovim problemom koristeći nanoograničenu strukturu poput paukove svile. Važno je da se ova hijerarhijska struktura formira spontano tokom isparavanja vode, izbegavajući dosadne korake i korake koji zahtevaju energiju za dalji tretman.“
Nedavni rad ovog tima istraživača mogao bi uskoro da inspiriše proizvodnju drugih vlaknastih materijala visokih performansi zasnovanih na nanoograničenim strukturama i sličnim procesima predenja. Pored toga, hidrogel mikrovlakna inspirisana paukovom svilom koja su kreirali uskoro bi mogla da se primene i procene u stvarnim okruženjima, na primer kao pokretačka vlakna protetskih udova ili nosivih uređaja.
„Pokazali smo da hidrogelna vlakna sa nano ograničenom strukturom mogu pokazati veoma dobra svojstva, ali žilavost vlakana još nije uporediva sa onom prave paukove svile“, dodao je Sun. „U budućnosti ćemo pokušati da uvedemo još jače nanokristale kao nanokonfinaciju za dalje poboljšanje mehaničkih svojstava hidrogelnih vlakana.“
