Японские исследователи разработали гидрогель, который, в отличие от других материалов на основе полимеров, затвердевает при нагревании и размягчается при охлаждении. Вещи из этого материала могут защитить мотоциклистов и гонщиков во время аварий, сообщает пресс-служба Университета Хоккайдо. Подробное описание разработки представлено в статье, опубликованной в журнале Advanced Materials.
На создание материала ученых вдохновила способность белков оставаться стабильными в организмах, которые выживают в условиях экстремальной жары – например, в глубоководных термальных источниках. Обычно тепло «денатурирует» белки, изменяя их структуру и разрушая их связи. Но есть теплолюбивые белки, которые остаются стабильными при нагревании благодаря сильным ионным связям.
На основе этой концепции команда разработала недорогой нетоксичный полиакриловый гель. Гель, состоящий из полиэлектролитной полиакриловой кислоты (PAAc), погрузили в водный раствор ацетата кальция. PAAc сама по себе действует как любой другой материал на полимерной основе и размягчается при нагревании. Но когда добавляют ацетат кальция, боковые «остатки» молекул PAAc взаимодействуют с молекулами ацетата кальция, подобно тому, как это происходит внутри теплолюбивых белков, заставляя PAAc действовать совсем по-другому.
Исследователи обнаружили, что их первоначально однородный гель разделяется на полимерную плотную «фазу» и полимерную более разреженную «фазу» при повышении температуры. Когда температура вырастает до критической – около 60 °C, – плотная часть подвергается значительной дегидратации, которая усиливает ионные связи и гидрофобные взаимодействия между молекулами полимера. Это приводит к тому, что материал быстро превращается из мягкого прозрачного гидрогеля в жесткий непрозрачный пластик.
Нагретый материал был в 1800 раз жестче, в 80 раз прочнее и в 20 раз жестче, чем исходный гидрогель. Переключение с мягкого состояния на жесткое было полностью обратимым при альтернативном нагреве и охлаждении материала. Кроме того, ученые могли точно настроить температуру переключения, регулируя концентрацию ингредиентов.
Затем ученые объединили материал со стеклотканью. Полученная ткань была мягкой при комнатной температуре, но когда ее прижимали к поверхности асфальта в течение пяти секунд со скоростью 80 км/час, трение выделяло тепло – и материал затвердевал. На отвердевшей ткани остались лишь небольшие ссадины.
Одежду из подобной ткани можно использовать, например, для защиты мотоциклистов или спортсменов (особенно тех, которые занимаются экстремальными видами спорта). Также из нового гидрогеля можно сделать оконное покрытие, поглощающее тепло, для охлаждения помещения.
Еще одно преимущество гидрогеля: для его создания требуется универсальное, недорогое и нетоксичное и доступное сырье. Так, полиакриловые кислоты используются в одноразовых подгузниках, а ацетаты кальция – в пищевых добавках.
[Фото: NONOYAMA T. ET AL., ADVANCED MATERIALS, NOVEMBER 18, 2019]
