Естественным клеем во всех этих случаях является гидрогель — липкая смесь воды и липкого материала, которая создает прочное и прочное соединение.Теперь инженеры Массачусетского технологического института разработали метод производства синтетического липкого гидрогеля, который более чем на 90 процентов состоит из воды. Гидрогель, который представляет собой прозрачный резиноподобный материал, может прилипать к таким поверхностям, как стекло, кремний, керамика, алюминий и титан, с прочностью, сравнимой с прочностью связи между сухожилием и хрящом на кости.
В экспериментах, чтобы продемонстрировать его надежность, исследователи применили небольшой квадрат своего гидрогеля между двумя стеклянными пластинами, на котором они затем подвесили 55-фунтовый груз. Они также приклеили гидрогель к силиконовой пластине, которую затем разбили молотком.
Хотя силикон раскололся, его части остались на месте.Такая долговечность делает гидрогель идеальным кандидатом для защитных покрытий на подводных поверхностях, таких как лодки и подводные лодки.
Поскольку гидрогель является биосовместимым, он также может быть подходящим для ряда применений, связанных со здоровьем, таких как биомедицинские покрытия для катетеров и датчиков, имплантированных в тело.«Вы можете представить себе новые области применения этого очень прочного, липкого, но мягкого материала», — говорит Сюань Хэ Чжао, доцент кафедры машиностроения Массачусетского технологического института Роберт Н. Нойс.
Например, группа Чжао в настоящее время изучает возможности использования гидрогеля в мягкой робототехнике, где этот материал может служить синтетическим сухожилием и хрящом или в гибких суставах.«Это довольно прочный и клейкий гель, состоящий в основном из воды», — говорит Хену Юк, аспирант кафедры машиностроения и ведущий автор статьи о работе. «По сути, это жесткая, связующая вода».
Чжао и его ученики публикуют свои результаты сегодня в журнале Nature Materials.Эластичный якорьЧжао обнаружил, что прочный, гибкий гидрогель, который прочно соединяется, требует двух характеристик: рассеивания энергии и химического закрепления. Гидрогель, который рассеивает энергию, по существу способен значительно растягиваться, не сохраняя при этом всю энергию, используемую для его растяжения.
Химически закрепленный гидрогель прикрепляется к поверхности, ковалентно связывая свою полимерную сеть с этой поверхностью.«Химическое закрепление плюс рассеивание объема приводит к прочному склеиванию», — говорит Чжао. «Их связывают сухожилия и хрящи, поэтому мы действительно учимся этому принципу у природы».При разработке гидрогеля Юк смешал раствор воды с рассеивающим ингредиентом, чтобы создать эластичный эластичный материал. Затем он поместил гидрогель на различные поверхности, такие как алюминий, керамика, стекло и титан, каждая из которых модифицирована функциональными силанами — молекулами, которые создают химические связи между каждой поверхностью и ее гидрогелем.
Затем исследователи проверили сцепление гидрогеля с помощью стандартного теста на отслаивание, в котором они измерили силу, необходимую для отслаивания гидрогеля от поверхности. В среднем они обнаружили, что прочность сцепления гидрогеля составляет 1000 джоулей на квадратный метр — примерно на том же уровне, что и сухожилие и хрящ на кости.Группа Чжао сравнила эти результаты с существующими гидрогелями, а также эластомерами, тканевыми адгезивами и гелями из наночастиц и обнаружила, что новый гидрогелевый адгезив имеет как более высокое содержание воды, так и гораздо более сильную связывающую способность.
«Мы фактически побили мировой рекорд прочности связывания гидрогелей, и это было вдохновлено природой», — говорит Юк.Липкая робототехникаПомимо тестирования прочности гидрогеля с помощью молотка и груза, Чжао и его коллеги исследовали его использование в роботизированных соединениях, используя небольшие сферы гидрогеля для соединения коротких трубок для имитации роботизированных конечностей.«Гидрогели могут действовать как приводы», — говорит Чжао. «Вместо использования обычных петель вы можете использовать этот мягкий материал с прочным сцеплением с жесткими материалами, и он может дать роботу гораздо больше степеней свободы».
Исследователи также рассмотрели его применение в качестве электрического проводника. Юк и другие студенты добавили соли к образцу гидрогеля и прикрепили гидрогель к двум металлическим пластинам, подключенным через электроды к светодиодной лампе. Они обнаружили, что гидрогель обеспечивает поток ионов соли внутри электрического контура, в конечном итоге зажигая светодиод.
«Мы создаем чрезвычайно надежные интерфейсы для гибридных проводников из гидрогеля и металла», — добавляет Юк.Группа Чжао в настоящее время больше всего заинтересована в изучении использования гидрогеля в мягкой робототехнике, а также в биоэлектронике.
«Поскольку гидрогель содержит более 90 процентов воды, склеивание можно рассматривать как водный клей, который прочнее, чем природный клей, например, для ракушек и мидий, и био-вдохновляющие подводные клеи», — говорит Чжао. «Эта работа имеет важное значение для понимания биоадгезии, а также для практических применений, таких как гидрогелевые покрытия, биомедицинские устройства, тканевая инженерия, водоподготовка и подводные клеи».Это исследование было частично поддержано Управлением военно-морских исследований и Национальным научным фондом.