Gelen är mjuk och genomskinlig vid 25°C och klarar inte en vikt på 10 kg (toppaneler) men den blir snabbt styv och ogenomskinlig när den värms upp till 60°C, blir tillräckligt stark för att bära vikten (bottenpaneler). Kredit:Nonoyama T. et al., Avancerade material, 18 november, 2019
Forskare från Hokkaido University har utvecklat en hydrogel som gör motsatsen till vad polymerbaserade material, som plastflaskor, gör det normalt:deras material härdar vid upphettning och mjuknar när det kyls. Deras resultat, publiceras i tidskriften Avancerade material , kan leda till tillverkning av skyddskläder för trafik- och sportrelaterade olyckor.
Takayuki Nonoyama och Jian Ping Gong från Hokkaido University och deras kollegor inspirerades av hur proteiner förblir stabila inuti organismer som överlever i miljöer med extrem hetta, som varma källor och termiska öppningar för djuphavsvatten. I vanliga fall, värme "denaturerar" proteiner, förändra deras struktur och bryta deras band. Men proteinerna inom termofiler förblir stabila med värme tack vare förbättrade elektrostatiska interaktioner som jonbindningar.
Teamet utvecklade en billig, giftfri polyakrylgel baserad på detta koncept. En gel sammansatt av polyelektrolytpoly(akrylsyra) (PAAc) nedsänktes i en vattenhaltig kalciumacetatlösning. PAAc i sig fungerar som vilket annat polymerbaserat material som helst och mjuknar vid upphettning. Men när kalciumacetat tillsätts, PAAcs sidorester interagerar med kalciumacetatmolekylerna, på ett sätt som liknar det som händer inuti termofila proteiner, vilket får PAAc att agera väldigt annorlunda.
Teamet fann att deras ursprungligen enhetliga gel separeras i en polymertät "fas" och en gles polymer när temperaturen stiger. När den når en kritisk temperatur, i detta fall runt 60°C, den täta fasen genomgår betydande uttorkning vilket stärker jonbindningar och hydrofoba interaktioner mellan polymermolekyler. Detta gör att materialet snabbt förvandlas från en mjuk, transparent hydrogel till en styv, ogenomskinlig plast.
Molekylära strukturer och mekanismerna bakom omedelbar termisk härdning av hydrogelen. Kredit:Nonoyama T. et al., Avancerade material, 18 november, 2019
Det uppvärmda materialet var 1, 800 gånger styvare, 80 gånger starkare, och 20 gånger segare än den ursprungliga hydrogelen. Den mjuka-till-styva omkopplingen var helt reversibel genom att alternativt värma och kyla materialet. Dessutom, forskarna kunde finjustera växlingstemperaturen genom att justera koncentrationen av ingredienserna.
De visade sedan en möjlig tillämpning av materialet genom att kombinera det med ett vävt glastyg. Detta nya tyg var mjukt vid rumstemperatur, men när den drogs mot en asfaltyta i fem sekunder med en hastighet av 80 km/tim, värmen som genererades av friktionen härdade materialet med endast mindre nötningar på kontaktytan.
Takayuki Nonoyama säger, "Kläder gjorda av liknande tyg kan användas för att skydda människor under trafik eller sportrelaterade olyckor, till exempel. Vårt material kan också användas som en värmeabsorberande fönsterbeläggning för att hålla inomhusmiljön svalare."
"Denna polymergel kan enkelt tillverkas av mångsidiga, billiga och giftfria råvaror som är vanligt förekommande i det dagliga livet. Specifikt, polyakrylsyrorna används i engångsblöjor och kalciumacetater används i livsmedelstillsatser, " tillade Jian Ping Gong. "Vår studie bidrar till grundforskning om nya temperaturkänsliga polymerer, och till tillämpad forskning om temperaturkänsliga smarta material."
