Skip to main content

Naukowcy dokonali przypadkowego odkrycia nowej klasy materiałów zwanych „szklistymi żelami”, które są w połowie płynne, ale trudne do złamania. Te elastyczne, dziwnie lepkie żele mogą „samonaprawiać się” po przecięciu, co czyni je potencjalnie użytecznymi w szerszym zakresie zastosowań niż powszechnie stosowane plastiki, które są twarde i kruche lub miękkie i łatwo pekające.

„Stworzyliśmy klasę materiałów, które nazywamy szklistymi żelami. Są one tak twarde jak szkliste polimery, ale – jeśli zastosujesz wystarczającą siłę – mogą rozciągać się do pięciokrotności swojej pierwotnej długości, zamiast się łamać,” mówi Michael Dickey, naukowiec zajmujący się materiałami z North Carolina State University (NCSU).

Jak to często bywa z fortunnymi odkryciami naukowymi, celem nigdy nie było stworzenie zupełnie nowej klasy substancji, przyznaje Dickey w rozmowie z ScienceAlert.

„Natknęliśmy się na te interesujące materiały,” mówi, gdy badaczka NCSU, Meixiang Wang, eksperymentowała z jonowymi żelami, materiałami złożonymi z polimeru nasiąkniętego płynem jonowym przewodzącym prąd.

Wang próbowała stworzyć elastyczne, noszone urządzenia, które mogłyby być używane jako czujniki ciśnienia, inne urządzenia medyczne lub w robotyce. Modyfikując skład, Wang uzyskała żel, który na pierwszy rzut oka wyglądał jak „zwykły kawałek przezroczystego, elastycznego plastiku”, zanim testy wykazały, że jest bardzo twardy, ale nie kruchy jak inne powszechne plastiki.

„Kiedy zdaliśmy sobie sprawę, że mają niezwykłe właściwości, zagłębiliśmy się, aby je lepiej zrozumieć,” mówi Dickey.

Szklisty żel powstaje z użyciem płynu jonowego, który jest podobny do wody, ale składa się wyłącznie z naładowanych cząstek, co pozwala mu przewodzić prąd. Gdy jest mieszany z prekursorem polimeru, płyn rozsuwa łańcuchy polimeru, czyniąc materiał miękkim i elastycznym. Jednocześnie jony są silnie przyciągane do łańcuchów polimeru, co zapobiega ich rozdzielaniu się.

„W efekcie końcowym materiał jest twardy dzięki siłom przyciągania, ale wciąż zdolny do rozciągania dzięki dodatkowej przestrzeni,” wyjaśnia Dickey.

Szklisty żel nie wysycha, mimo że składa się w 50-60% z płynu, a testy wykazały, że ma „ogromną” wytrzymałość na złamanie i twardość. Materiał może także „samonaprawiać się”, odtwarzając się po przecięciu, i ma pewien rodzaj pamięci, który pozwala rozciągniętemu żelowi zachować kształt, a następnie wracać do pierwotnej formy po podgrzaniu.

Chociaż niezwykłe, takie właściwości regeneracyjne nie są szczególnie nowe, zwłaszcza w elastycznych materiałach przypominających żel. Niedawno naukowcom udało się stworzyć zwykle sztywne materiały, takie jak metale, szkło, panele słoneczne i beton, które naprawiają się po pęknięciu. Jeśli te materiały zostaną skomercjalizowane, zdolne do naprawy po uszkodzeniu, mogą pomóc zmniejszyć odpady w przemyśle budowlanym, elektronicznym i modowym.

Ale osobliwe połączenie niezwykłych właściwości szklistego żelu to coś, co naukowcy chcą zbadać dalej.

„Może najbardziej intrygującą cechą szklistego żelu jest to, jak bardzo są one lepkie,” mówi Dickey. „Rozumiemy, co sprawia, że są twarde i rozciągliwe, [ale] możemy jedynie spekulować, co czyni je tak lepkimi.”

Więcej testów i optymalizacji „żelu” jest oczywiście potrzebnych, zanim te żele będą mogły być używane w praktyczny sposób, ale myśląc o potencjalnych zastosowaniach, Dickey mówi, że twarde materiały przewodzące prąd (jak żel) są użyteczne w bateriach.

Inne potencjalne zastosowania obejmują drukowanie 3D materiałów podobnych do plastiku za pomocą prostszych technik niż przetwarzanie stopionych tworzyw sztucznych – metoda obecnie używana do produkcji komercyjnych tworzyw sztucznych z żywic startowych. Proces ten często wymaga wysyłania produktów do wielu zakładów na każdy etap produkcji tworzyw sztucznych, podczas gdy szkliste żele mogą być wtryskiwane do formy i utwardzane światłem UV.

Ale zanim zespół będzie pracować nad zastosowaniami, Dickey mówi, że chcą lepiej zrozumieć podstawy, jak te materiały się formują i dlaczego wydaje się, że istnieje „magiczny stosunek” rozpuszczalnika do polimeru, który tworzy unikalne właściwości żelu.

„Biorąc pod uwagę liczbę unikalnych właściwości, które posiadają, jesteśmy optymistycznie nastawieni, że te materiały będą użyteczne,” mówi Wang.

Źródło: Science Alert