Natuurlijke materialen zoals huid, kraakbeen en pezen zijn sterk genoeg om ons lichaamsgewicht en bewegingen te ondersteunen, maar toch flexibel genoeg dat ze niet gemakkelijk barsten. Hoewel we deze eigenschappen als vanzelfsprekend beschouwen, het repliceren van deze unieke combinatie in synthetische materialen is veel moeilijker dan het klinkt. Nutsvoorzieningen, wetenschappers van EPFL hebben een nieuwe manier ontwikkeld om sterke, soepele composietpolymeren die materialen uit de natuurlijke wereld beter nabootsen. Hun doorbraak, beschreven in een artikel dat verschijnt in Geavanceerde functionele materialen , zou toepassingen kunnen hebben op gebieden zoals zachte robotica en kraakbeenprothese-implantaten.

Normaal gesproken, synthetische hydrogels vallen in twee zeer verschillende materiaalcategorieën. De eerste soort, waaronder vensterglas en sommige polymeren, zijn hard en dragend, maar notoir slecht in het absorberen van energie:zelfs de kleinste scheur kan zich door de constructie verspreiden. Materialen in de tweede groep zijn beter bestand tegen scheuren, maar er is een afweging:ze zijn extreem zacht - zo zacht, in feite, dat ze geen zware lasten kunnen dragen. Maar sommige natuurlijke composieten, gemaakt van een combinatie van biologische materialen en eiwitten, inclusief collageen - zijn zowel sterk als scheurbestendig. Deze eigenschappen hebben ze te danken aan hun zeer precieze structuur, van de nano tot de millimeter schaal:bijvoorbeeld geweven vezels zijn georganiseerd in grotere structuren, die op hun beurt andere structuren vormen, enzovoort.

"We zijn nog lang niet in staat om de structuur van synthetische materialen op zoveel verschillende schalen te beheersen, " zegt Esther Amstad, een assistent-professor aan het Soft Materials Laboratory van EPFL en de hoofdauteur van het artikel. Toch hebben Matteo Hirsch en Alvaro Charlet - twee doctoraalassistenten die onder leiding van Amstad werken - een nieuwe benadering bedacht voor het bouwen van synthetische composieten. nemen hun aanwijzingen uit de natuurlijke wereld. "In de natuur, basisbouwstenen zijn ingekapseld in compartimenten, die vervolgens op een zeer gelokaliseerde manier worden vrijgegeven, " legt Amstad uit. "Dit proces biedt meer controle over de uiteindelijke structuur en lokale samenstelling van een materiaal. We hebben een vergelijkbare aanpak gevolgd, onze eigen bouwstenen in compartimenten rangschikken en ze vervolgens samenvoegen tot een bovenbouw."

Eerst, de wetenschappers hebben monomeren ingekapseld in druppeltjes van een water-en-olie-emulsie, die als compartimenten dienen. In de druppeltjes, de monomeren binden samen om een ​​netwerk van polymeren te vormen. Op dit punt, de microdeeltjes zijn stabiel, maar de interacties ertussen zijn zwak, wat betekent dat het materiaal niet goed bij elkaar blijft. Volgende, de microdeeltjes - die zeer poreus zijn als sponzen - werden gedrenkt in een ander type monomeer voordat het materiaal werd verkleind tot een soort pasta. zijn uiterlijk, zoals Alvaro Charlet het zegt, is "een beetje zoals nat zand dat in een zandkasteel kan worden gevormd".

De wetenschappers hebben de pasta vervolgens in 3D geprint en blootgesteld aan UV-straling. Dit zorgde ervoor dat de bij de tweede stap toegevoegde monomeren polymeriseerden. Deze nieuwe polymeren zijn verweven met de polymeren die eerder in het proces zijn gevormd, waardoor de pasta hard wordt. Dat resulteerde in een uitzonderlijk sterke, slijtvast materiaal. Het onderzoeksteam toonde aan dat een buis met een diameter van slechts 3 mm bestand is tegen een trekbelasting tot 10 kg en een drukbelasting van wel 80 kg zonder schade aan de structurele integriteit.

Hun ontdekking heeft potentiële toepassingen in zachte robotica, waar materialen die de eigenschappen van levende weefsels nabootsen zeer gewild zijn. Het baanbrekende proces zou ook kunnen worden toegepast om biocompatibele materialen te ontwikkelen voor kraakbeenprothese-implantaten.