В исследовании, опубликованном в Nature Materials, группа во главе с учеными из RIKEN Center for Emergent Matter Science в Японии разработали новый гидрогель, работающий как искусственный мускул, т.е. он быстро растягивается и сжимается в ответ на изменение температуры. Они также создали L-образный объект из нового материала, который медленно идет вперед при циклическом повышении-понижении температуры.
Гидрогели – это полимеры, которые могут содержать большие количества воды в своем составе. Из-за этого, они могут набухать и сжиматься в ответ на изменения окружающей среды, такие как напряжение, тепло и кислотность.
Тем не менее, большинство гидрогелей делают это очень медленно и должны поглощать и выделять воду для увеличения или уменьшения в объеме. Уникальное свойство гидрогеля, разработанного командой RIKEN, что он действует как искусственный мускул, при этом не ведя себя одинаково во всех направлениях. Он сжимается в одном направлении, расширяясь в другом, это означает, что он может менять форму повторно без поглощения или выделения воды.
Секрет нового гидрогеля заключается в электростатическом заряде. Команда располагала в материале металл-оксидные нанолисты в одной плоскости с помощью магнитного поля, а затем фиксировала их на месте с помощью технологии «виниловая полимеризация», которая использует свет для застывания вещества в гидрогеле. В итоге нанолисты в полимере получаются выровненными в одной плоскости. Из-за электростатических сил листы создают электростатическое сопротивление в одном направлении.
Изначально этот материал разрабатывался для растяжения в одном направлении, но было обнаружено, что при температуре 32 0С полимер быстро изменяет форму, растягиваясь в длину. При этом гель не изменяется в объеме. Вещество подвергали изменению формы на воздухе и в жидкой среде, показав, что он не требует поглощения воды. Другими словами, он будет работать даже в нормальной воздушной среде.
Скорость деформации составляет примерно в 70% в секунду, выше, чем для других гидрогелей.
В качестве демонстрации практического применения полимера группа разработала L-образный кусок полимера, который может ходить в водной среде, удлиняясь и сжимаясь в зависимости от изменения температуры.
Расширение и сжатие гидрогеля при изменении температуры.
Хождение полимера.
Группа в настоящее время планирует дальнейшую работу по улучшению свойств полимера. Также есть идея использовать гидрогель для автоматического открывания и закрывания радиаторных систем при изменении температуры для предотвращения устройств от перегрева.
Источник: Youn Soo Kim, Mingjie Liu, Yasuhiro Ishida, Yasuo Ebina, Minoru Osada, Takayoshi Sasaki, Takaaki Hikima, Masaki Takata, and Takuzo Aida, "Thermoresponsive actuation enabled by permittivity switching in an electrostatically anisotropic hydrogel", Nature Materials , doi: 10.1038/nmat4363