Nowa klasa żeli szklistych stworzona przez badaczy

Naukowcy stworzyli nową klasę materiałów zwanych „żelami szklanymi”, które są niezwykle wytrzymałe i trudne do złamania, mimo że zawierają ponad 50% cieczy. W połączeniu z faktem, że szkliste żele są łatwe w produkcji, materiał ten jest obiecujący w wielu zastosowaniach.

Żele szklane i polimery to klasy materiałów, które w przeszłości były postrzegane jako odrębne od siebie. Polimery szklane są twarde, wytrzymałe i często kruche. Wykorzystuje się je do wyrobu butelek na wodę czy okien samolotów. Żele, takie jak soczewki kontaktowe, zawierają płyn, są miękkie i rozciągliwe.

„Stworzyliśmy klasę materiałów, które nazywamy żelami szklanymi, które są tak sztywne jak szkliste polimery, ale – jeśli zastosuje się odpowiednią siłę – mogą rozciągnąć się nawet pięciokrotnie w stosunku do pierwotnej długości, zamiast pękać” – mówi Michael. Dickey, autor korespondencyjny artykułu na temat tej pracy oraz profesor Camille i Henry Dreyfusowie w dziedzinie inżynierii chemicznej i biomolekularnej na Uniwersytecie Stanowym Karoliny Północnej. „Co więcej, po rozciągnięciu materiału można przywrócić mu pierwotny kształt pod wpływem ciepła. Dodatkowo powierzchnia żeli szklanych charakteryzuje się dużą przyczepnością, co jest niezwykłe w przypadku materiałów stałych.”

„Najważniejszą cechą żeli szklanych jest to, że w ponad 50% składają się z cieczy, co sprawia, że ​​przewodzą prąd elektryczny lepiej niż zwykłe tworzywa sztuczne o podobnych właściwościach fizycznych” – mówi Meixiang Wang, współautor artykułu i badacz ze stopniem doktora . Badacz w stanie Karolina Północna.

„Biorąc pod uwagę wiele unikalnych właściwości, jesteśmy optymistami, że materiały te będą przydatne” – mówi Wang.

Żele szklane, jak sama nazwa wskazuje, to materiał łączący w sobie jedne z najbardziej atrakcyjnych właściwości zarówno polimerów szklanych, jak i żeli. Aby je wytworzyć, badacze zaczynają od ciekłych prekursorów szklistych polimerów i mieszają je z cieczą jonową. Tak połączoną ciecz wlewa się do formy i poddaje działaniu światła UV, co powoduje „utwardzenie” materiału. Następnie usuwa się pleśń, pozostawiając szklisty żel.

„Ciecz jonowa to rozpuszczalnik podobny do wody, ale składający się wyłącznie z jonów” – mówi Dickey. „Zwykle po dodaniu rozpuszczalnika do polimeru, rozpuszczalnik rozsuwa łańcuchy polimeru, czyniąc polimer miękkim i rozciągliwym. Dlatego mokre soczewki kontaktowe są elastyczne, podczas gdy w przypadku suchych soczewek kontaktowych rozpuszczalnik nie jest elastyczny rozdziela łańcuchy molekularne w polimerze, umożliwiając mu rozszerzanie się jak żel. Jednakże jony w rozpuszczalniku są silnie przyciągane do polimeru, uniemożliwiając przemieszczanie się łańcuchów polimeru. Jest on szklisty, a efektem końcowym jest to, że materiał jest stały siłom przyciągania, ale nadal może się rozszerzać dzięki dodatkowej odległości.

Naukowcy odkryli, że żele szklane można wytwarzać przy użyciu różnych polimerów i cieczy jonowych, chociaż nie wszystkie klasy polimerów można wykorzystać do tworzenia żeli szklanych.

„Naładowane lub polarne polimery są obiecujące w przypadku szklistych żeli, ponieważ przyciągają je ciecz jonowa” – mówi Dickey.

Podczas testów naukowcy odkryli, że żele szklane nie odparowują ani nie wysychają, mimo że składają się z 50–60% cieczy.

„Być może najbardziej interesującą cechą żeli szklanych jest ich lepkość” – mówi Dickey. „Ponieważ choć rozumiemy, co czyni go tak sztywnym i rozciągliwym, możemy jedynie spekulować, co sprawia, że ​​jest tak lepki”.

Naukowcy uważają również, że szkliste żele są obiecujące pod względem praktycznym, ponieważ są łatwe do wykonania.

„Tworzenie żeli szklanych to prosty proces, który można wykonać poprzez manipulowanie nimi w dowolnej formie lub drukowanie w 3D” – mówi Dickey. „Większość tworzyw sztucznych o podobnych właściwościach mechanicznych wymaga od producentów wytworzenia polimeru jako surowca, a następnie transportu go do innego zakładu, gdzie polimer jest topiony i kształtowany w produkt końcowy.

„Jesteśmy podekscytowani możliwością wykorzystania żeli szklanych i jesteśmy otwarci na współpracę ze współpracownikami w celu określenia zastosowań tych materiałów”.

papier, „Żele szklane wzmacniane rozpuszczalnikiem„, zostanie opublikowana 19 czerwca w czasopiśmie Nature. Współautorem artykułu jest Xun Xiao z Uniwersytetu Karoliny Północnej w Chapel Hill. Współautorem artykułu jest Salma Siddiqa, doktorantka w stanie Karolina Północna. Mohamed Shamsi , były doktorant na Uniwersytecie Karoliny Północnej, Ethan Fry ze stanu NC, były student UNC Science, oraz Wen Qian, profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej i materiałowej na Uniwersytecie Nebraska-Lincoln.

Prace były częściowo współfinansowane ze środków Instytutu Studiów Wybrzeża.

Film objaśniający żele szklane i pokazujący ich właściwości można znaleźć na stronie https://www.youtube.com/watch?v=LV-vgxxbNeY.