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.