Naturmaterial som hud, brosk och senor är tillräckligt hårda för att stödja vår kroppsvikt och rörelser, men ändå tillräckligt flexibla för att de inte ska spricka lätt. Även om vi tar dessa fastigheter för givet, att replikera denna unika kombination i syntetmaterial är mycket svårare än det låter. Nu, forskare vid EPFL har utvecklat ett nytt sätt att göra starka, smidiga kompositpolymerer som närmare efterliknar material som finns i den naturliga världen. Deras genombrott, beskrivs i ett papper som visas i Avancerade funktionella material , kan ha tillämpningar inom områden som mjuk robotik och broskproteser.

I vanliga fall, syntetiska hydrogeler indelas i två mycket olika materialkategorier. Den första typen, som inkluderar fönsterglas och några polymerer, är hårda och bärande men notoriskt dåliga på att absorbera energi:även den minsta sprickan kan spridas genom strukturen. Material i den andra gruppen kan bättre motstå sprickor, men det finns en avvägning:de är extremt mjuka-så mjuka, faktiskt, att de inte tål tunga laster. Men några naturliga kompositer - gjorda av en kombination av biologiska material och proteiner, inklusive kollagen-är både starka och sprickresistenta. De är skyldiga dessa egenskaper till deras mycket exakta struktur, från nano till millimeter skalor:till exempel vävda fibrer är organiserade i större strukturer, som i sin tur ordnar att bilda andra strukturer, och så vidare.

"Vi är fortfarande långt ifrån att kunna kontrollera strukturen av syntetmaterial i så många olika skalor, säger Esther Amstad, en biträdande professor vid EPFL's Soft Materials Laboratory och tidningens huvudförfattare. Ändå har Matteo Hirsch och Alvaro Charlet - två doktorantassistenter som arbetar under Amstads ledning - tagit fram ett nytt tillvägagångssätt för att bygga syntetiska kompositer, tar sina ledtrådar från den naturliga världen. "I naturen, grundläggande byggstenar är inkapslade i fack, som sedan släpps på ett mycket lokaliserat sätt, "förklarar Amstad." Denna process ger större kontroll över ett materials slutliga struktur och lokala sammansättning. Vi tog ett liknande tillvägagångssätt, ordna våra egna byggstenar i fack och sedan montera dem i en överbyggnad. "

Först, forskarna inkapslade monomerer i droppar av en vatten-och-oljeemulsion, som fungerar som fack. Inuti dropparna, monomererna binder samman för att bilda ett nätverk av polymerer. Vid denna tidpunkt, mikropartiklarna är stabila men interaktionerna mellan dem är svaga, vilket betyder att materialet inte håller ihop. Nästa, mikropartiklarna - som är mycket porösa som svampar - dränktes i en annan typ av monomer innan materialet reducerades till en slags pasta. Dess utseende, som Alvaro Charlet uttrycker det, är "lite som våt sand som kan formas till ett sandslott".

Forskarna tryckte sedan ut pastan och exponerade den för UV-strålning. Detta fick monomererna som tillsattes vid det andra steget att polymerisera. Dessa nya polymerer sammanflätade med de som bildades tidigare i processen, därigenom härdar pastan. Det resulterade i en exceptionellt stark, slitstarkt material. Forskargruppen visade att ett rör som bara mäter 3 mm tål en draglast på upp till 10 kg och en tryckbelastning på så mycket som 80 kg utan att skada dess strukturella integritet.

Deras upptäckt har potentiella användningsområden inom mjuk robotik, där material som efterliknar levande vävnaders egenskaper är mycket eftertraktade. Den banbrytande processen kan också tillämpas för att utveckla biokompatibla material för broskproteser.