Стэнфордские химики разработали материал, который растягивается в 100 раз от изначального размера, а затем сжимается назад без потери свойств. Он также реагирует на электрическое поле и восстанавливается после повреждений.
Уникальные свойства нового эластомера открывают потрясающие возможности по его использованию в различных областях промышленности, в том числе в робототехнике и медицине, например, как основа для искусственной кожи и искусственных мышц.
Искусственные мышцы и сейчас могут использоваться в потребительской электронике и робототехнике, но малейшие дефекты и повреждения резко снижают эластичность материала. Существующие эластомеры обычно растягиваются всего в два-три раза. К тому же, они не могут восстанавливаться после проколов или царапин без постороннего вмешательства (например, нагрева). Новый эластомер лишён всех этих недостатков, говорит профессор химической инженерии Стэнфордского университета Женан Бао.
Авторы изобретения объясняют, за счёт чего полимер способен растягиваться на такое невероятное расстояние. Как и самозаживление, это свойство объясняется кардинальным улучшением в процессе образования поперечных межмолекулярных связей (cross-linking) — особых химических связей между молекулами полимера. Во время этого процесса линейные цепи молекул соединяются в сетчатую структуру, похожую на рыболовную сеть.
Для улучшения свойств материала учёные сначала спроектировали специальные органические молекулы, которые прикрепляются к коротким нитям полимеров в их поперечных связях, создавая структуры под названием лиганды. Эти лиганды затем объединяются, формируя более длинные полимерные цепочки, словно пружинные катушки с присущей им растяжимостью.
Потом в материал добавляют ионы металлов, которые химически связываются с лигандами. В итоге, когда полученный материал растягивается, узлы в структуре ослабляются — и позволяют лигандам отделяться друг от друга. Если натяжение пропало, то близость металлических ионов и лигандов снова стягивает сетку. Каждый ион металла связан как минимум с двумя лигандами, и даже если одна из связей будет потеряна в результате натяжения или повреждения, он потом способен восстановить эту связь, если окажется достаточно близко к лиганду.
Химическая структура материала объясняет, почему он самостоятельно восстанавливает форму после повреждений. Самозаживление происходит на температурах от -20°C и выше, специальный нагрев не требуется.
Физические свойства эластомера — его растяжимость или скорость заживления — можно варьировать, изменяя количество и тип добавляемых ионов металла в органику. Благодаря металлу полимер также реагирует на электрическое поле, то есть такие искусственные мышцы могут управляться электронными импульсами от компьютера.
Материал отлично подходит для изготовления искусственной кожи, которую можно натягивать на протезы людей с потерянными конечностями. Конечно же, самовосстанавливающийся эластомер пригоден для покрытия корпусов и чехлов носимой электроники, смартфонов, медицинских приборов, имплантатов и др.
Научная работа Женан Бао с коллегами опубликована в журнале Nature Chemistry (doi:10.1038/nchem.2492, pdf).
