Onderzoekers van de Hokkaido University hebben een hydrogel ontwikkeld die het tegenovergestelde doet van wat op polymeren gebaseerde materialen, zoals plastic flessen, normaal doen:hun materiaal hardt uit bij verhitting en wordt zachter bij afkoeling. Hun bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen , zou kunnen leiden tot de fabricage van beschermende kledingstukken voor verkeers- en sportgerelateerde ongevallen.

Takayuki Nonoyama en Jian Ping Gong van Hokkaido University en hun collega's werden geïnspireerd door hoe eiwitten stabiel blijven in organismen die overleven in omgevingen met extreme hitte, zoals warmwaterbronnen en thermale bronnen in de diepzee. Normaal gesproken, warmte "denatureert" eiwitten, hun structuur veranderen en hun banden verbreken. Maar de eiwitten in thermofielen blijven stabiel met warmte dankzij verbeterde elektrostatische interacties zoals ionische bindingen.

Het team ontwikkelde een goedkope, niet-toxische polyacrylgel op basis van dit concept. Een gel bestaande uit polyelektrolyt poly(acrylzuur) (PAAc) werd ondergedompeld in een waterige oplossing van calciumacetaat. PAAc werkt op zichzelf net als elk ander materiaal op polymeerbasis en wordt zachter bij verhitting. Maar wanneer calciumacetaat wordt toegevoegd, PAAc's zijresiduen interageren met de calciumacetaatmoleculen, op een manier die vergelijkbaar is met wat er gebeurt in thermofiele eiwitten, waardoor PAAc heel anders handelt.

Het team ontdekte dat hun oorspronkelijk uniforme gel zich scheidt in een polymeer dichte "fase" en een polymeer schaarse als de temperatuur stijgt. Wanneer het een kritische temperatuur bereikt, in dit geval rond de 60°C, de dichte fase ondergaat aanzienlijke dehydratatie die ionische bindingen en hydrofobe interacties tussen polymeermoleculen versterkt. Hierdoor transformeert het materiaal snel van een zachte, transparante hydrogel tot een stijve, ondoorzichtige kunststof.

Het verwarmde materiaal was 1, 800 keer stijver, 80 keer sterker, en 20 keer sterker dan de originele hydrogel. De omschakeling van zacht naar stijf was volledig omkeerbaar door het materiaal afwisselend te verwarmen en af ​​te koelen. Bovendien, de wetenschappers konden de schakeltemperatuur verfijnen door de concentratie van de ingrediënten aan te passen.

Vervolgens demonstreerden ze een mogelijke toepassing van het materiaal door het te combineren met een geweven glasweefsel. Deze nieuwe stof was zacht bij kamertemperatuur, maar toen het vijf seconden lang met een snelheid van 80 km/uur tegen een asfaltoppervlak werd getrokken, de warmte die door de wrijving werd gegenereerd, verhardde het materiaal met slechts kleine schaafwonden op het contactoppervlak.

Takayuki Nonoyama zegt, "Kleding gemaakt van soortgelijke stof zou kunnen worden gebruikt om mensen te beschermen tijdens verkeers- of sportgerelateerde ongevallen, bijvoorbeeld. Ons materiaal kan ook worden gebruikt als een warmte-absorberende raamcoating om binnenomgevingen koeler te houden."

"Deze polymeergel kan gemakkelijk worden gemaakt van veelzijdige, goedkope en niet-giftige grondstoffen die in het dagelijks leven veel voorkomen. specifiek, de polyacrylzuren worden gebruikt in wegwerpluiers en calciumacetaten worden gebruikt in levensmiddelenadditieven, " Jian Ping Gong toegevoegd. "Onze studie draagt ​​bij aan fundamenteel onderzoek naar nieuwe temperatuurgevoelige polymeren, en toegepast onderzoek naar temperatuurgevoelige slimme materialen."