Тайваньские ученые создали уникальный эластичный гель, который обладает удивительными свойствами: он способен выдерживать значительные нагрузки, самовосстанавливаться и изменять цвет при растяжении или нагревании. В ходе лабораторных испытаний материал был растянут в 46 раз без повреждений, и после этого он полностью восстановился в условиях комнатной температуры.
Метагель может найти широкое применение в различных областях: от носимых устройств и мягкой робототехники до искусственной кожи, биомедицинских имплантатов и устойчивой к повреждениям электроники.
Большинство мягких и эластичных материалов либо хорошо растягиваются, но легко рвутся, либо остаются прочными, но не обладают способностью к самовосстановлению и не реагируют на нагрузку. Новый гель стал первым, который сочетает в себе прочность, самовосстановление и сенсорные свойства. Секрет его успеха кроется в тщательно продуманной молекулярной структуре.
Ученые использовали ротаксаны — кольцевые молекулы, которые могут расширяться и сжиматься подобно пружинам, соединенные в цепочки. К ним был добавлен флуоресцентный элемент DPAC, меняющий цвет, когда его подвижность ограничивается из-за растяжения или изгиба.
Когда гель растягивается, его сцепленные молекулы, химически связанные в полиуретановый гель, смещаются. Это ограничивает движение DPAC и приводит к заметному изменению цвета — с оранжевого на синий под воздействием ультрафиолета.
Гель армирован нанокристаллами целлюлозы, которые способствуют самовосстановлению, образуя обратимые водородные связи по всей сетке. Благодаря тому, что скользящие молекулы встроены в структуру геля, их движение напрямую связано с его растяжением.
В ходе лабораторных испытаний гель продемонстрировал удивительные свойства: его можно растянуть до 46 раз без повреждений — это примерно 4600% деформации. Прочность материала составила 142 МДж/м³, что в 2,6 раза выше, чем у обычного геля без этих молекул. Изменение цвета позволяет визуально отслеживать распределение напряжения.
Материал обладает двойным сенсорным эффектом: его цвет меняется как при деформации, так и при нагревании. При повреждении гель способен самовосстанавливаться при комнатной температуре за несколько часов, а при легком нагреве — еще быстрее.
Не встречающеся в природе вещество может найти применение в носимых устройствах, мягкой робототехнике, а также для создания искусственной кожи, биомедицинских имплантатов и устойчивой к повреждениям электроники.