Исследователи разработали новый тип материала, который по прочности и устойчивости не уступает стеклообразным полимерам, но по гибкости и растяжимости похож на полимерные гели. Названные «стекловидными гелями», они изготовлены на основе ионного растворителя, который позволяет полимерным цепочкам распространяться без разрыва. Кроме того, они содержат более 50 % жидкости, что делает их лучшими проводниками, чем обычный пластик. Простые в производстве и способные к самовосстановлению, эти материалы обещают широкий спектр применения.
Стекловидные полимеры, используемые при изготовлении многих повседневных предметов (например, бутылок для воды) или различных приборов (например, иллюминаторов самолетов), отличаются жесткостью и высокой прочностью, но имеют ограниченную растяжимость. Чтобы улучшить их растяжимость, обычно используют растворители, которые разрушают полимерные цепи, делая материал более гибким и менее жестким. Эти так называемые «полимерные гели» используются, например, в мягких контактных линзах.
Полимерные гели могут «набухать» под воздействием различных растворителей, таких как вода (гидрогели) и органические жидкости (органогели). Однако, несмотря на большую растяжимость, такие гели могут легко рваться, что ограничивает их применение. Для решения этой проблемы команда из Государственного университета Северной Каролины (США) предлагает новый тип материала под названием «стеклообразные гели», сочетающий в себе свойства как стеклообразного полимера, так и полимерного геля.
Полное самовосстановление даже после деформации на 670%
Чтобы создать стеклообразный гель, исследователи использовали жидкие предшественники стеклообразных полимеров (известных как «полярные полимеры»), смешав их с ионным растворителем. «Ионная жидкость — это растворитель, подобный воде, но состоящий полностью из ионов«, — объясняет Майкл Дики, автор-корреспондент нового исследования, описанного в журнале Nature, в пресс-релизе Университета штата Северная Каролина.
Ионные жидкости — это нелетучие, невоспламеняющиеся растворители. Они обладают высокой электрохимической и термической стабильностью, а также точкой плавления при относительно низкой температуре (как правило, ниже комнатной). Кроме того, они обладают широким спектром интересных свойств, включая определенную вязкость, биосовместимость и электропроводность. Эти свойства делают такие жидкости особенно подходящими для устройств хранения энергии, клеев и датчиков на основе ионов.
В новом исследовании смесь полимерной жидкости и ионного растворителя заливалась в форму, а затем отверждалась под воздействием ультрафиолетового света. Как и все растворители, ионная жидкость увеличивает свободный объем (или пространство) между полимерными цепями, тем самым повышая растяжимость материала. Однако ионная жидкость не разделяет молекулярные связи полностью, а просто раздвигает их, позволяя материалу быть растяжимым, как гель, но прочным, как стеклообразный полимер.
Это происходит потому, что «ионы, содержащиеся в растворителе, сильно притягиваются к полимерам, не позволяя их цепочкам двигаться. Именно неспособность цепей двигаться и делает его стеклянным«, — объясняет Дикки. В частности, ионы образуют прочные и обильные нековалентные сшивки между полимерными цепями, создавая жесткую, прочную и стеклообразную сеть. «В итоге материал получается твердым из-за сил притяжения, но при этом он способен растягиваться из-за дополнительного пространства«, — говорит эксперт.
Еще одной отличительной особенностью нового материала является то, что 54% его составляет жидкость. При этом он обладает прочностью на растяжение 42 МПа, пределом текучести 73 МПа и модулем Юнга (механическое напряжение, вызывающее удлинение материала на 100 % от его первоначальной длины) 1 ГПа. Эти показатели сопоставимы со значениями термопластов, таких как полиэтилен. Однако, в отличие от последних, стеклообразный гель может подвергаться деформации до 670% и способен полностью и быстро самовосстанавливаться после нагрева.
«Мы создали класс материалов, которые мы назвали стеклообразными гелями, которые так же тверды, как стеклообразные полимеры, но если приложить достаточное усилие, они могут растягиваться в пять раз больше своей первоначальной длины, а не ломаться«, — объясняет Дикки.
Отличные адгезивные свойства
Жидкость, содержащаяся в материале, позволяет предположить, что он может быть гораздо более эффективным проводником электричества, чем обычные пластики с аналогичными физическими свойствами. В ходе испытаний исследователи обнаружили, что жидкость не испаряется, предотвращая высыхание материала.
Более того, стекловидный гель образуется путем полимеризации за один шаг (с помощью формы или 3D-принтера), в отличие от большинства пластмасс, где полимер сначала нужно создать, а затем обработать, чтобы получить конечный продукт. Это дает ему значительное преимущество с точки зрения производственных затрат. Специалисты также обнаружили, что материал может быть изготовлен из различных видов полимеров и ионных жидкостей.
Кроме того, гель обладает отличными адгезивными свойствами, что необычно для материала с таким высоким удельным сопротивлением. Однако «хотя мы понимаем, что делает их твердыми и растяжимыми, мы можем только предполагать, что делает их такими липкими«, — говорит Дикки. Тем не менее, «учитывая количество уникальных свойств, которыми они обладают, мы с оптимизмом ожидаем, что эти материалы будут полезны«, — заключает его коллега, Мейсян Ванг, соавтор исследования.
Видеопрезентация исследования: