„Super Jelly“: Es geht nicht kaputt, egal wie sehr Sie es zerdrücken, das Nokia unter den Wackelpuddings!

Als wir jung waren, erregten die bunten und unterschiedlich geformten Gelees in den Supermarktregalen immer unsere Aufmerksamkeit. Es scheint, als würde es uns in der nächsten Sekunde in den Mund fliegen, federnd und zäh, und es zerbricht in Stücke, wenn man hineinbeißt.

Unser Eindruck ist, dass Gelee weich und „zerbrechlich“ ist.

Nun haben Wissenschaftler ein magisches „Gelee“ erfunden, das selbst dann intakt bleibt, wenn es von einem Auto zerquetscht wird. Es ist wirklich das „Nokia“ unter den „Jellys“.

Abbildung | Das Material bleibt trotz wiederholter Beschädigung durch ein Auto intakt (Quelle: Die Zeitung)

Kürzlich hat ein Team unter der Leitung von Professor Oren Scherman vom Melville Polymer Synthesis Laboratory der University of Cambridge in Großbritannien ein hochleistungsfähiges glasartiges, gelartiges supramolekulares Polymernetzwerk (SPN) hergestellt.

Dieses Polymer verfügt bei einem Wassergehalt von bis zu 80 % immer noch über eine ultrahohe Druckfestigkeit, zyklische Stabilität und schnelle Selbsterholung bei Raumtemperatur, was ihm große Aussichten für Anwendungen wie Softrobotik, Tissue Engineering und tragbare Bioelektronik verleiht.

(Quelle: Nature Materials)

Die zugehörige Forschungsarbeit mit dem Titel „Highly compressible glass-like supramolecular polymer networks“ wurde in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht.

Gelee, ein Hydrogel

Gelee ist eigentlich ein Hydrogel, und Gel bezeichnet ein Sol, das seine Fließfähigkeit verliert und zu einer flüssigkeitsreichen, halbfesten Substanz wird.

Gelmaterialien sind in unserem Leben eigentlich überall zu finden. Neben Gelee sind auch Grasgelee und die Perlen im Perlmilchtee Hydrogele. Die Kontaktlinsen, die wir tragen, und die fiebersenkenden Pflaster, die wir bei Fieber verwenden, bestehen alle aus Gelmaterialien.

Auch supramolekulare Polymergele sind eine Art Gel. Es ist ein sehr wichtiges weiches Material. Dieses Material wird auf der Grundlage mehrerer nichtkovalenter Wechselwirkungen auf drei Hauptarten zusammengesetzt:

1) Supramolekulare Polymergele auf Basis von Wasserstoffbrückenbindungen;
2) Supramolekulare Polymergele auf der Basis von Metallkoordination;
3) Supramolekulare Polymergele basierend auf der molekularen Wirt-Gast-Erkennung.

Die Reversibilität dieses nichtkovalenten Interaktionsmodus verleiht supramolekularen Polymeren viele Eigenschaften, die sich von denen gewöhnlicher Polymere unterscheiden, wie etwa die Reizreaktion unter Licht, Elektrizität, Wärme und anderen Bedingungen.

Aufgrund dieser Eigenschaft ist es für die Entwicklung intelligenter Materialien von großer Bedeutung. Intelligente Wearables, Arzneimittelverabreichung, Biomaterialien usw. sind untrennbar mit supramolekularen Polymermaterialien verbunden.

Es ist bekannt, dass das Verhalten von Materialien – ob sie weich oder hart, spröde oder fest sind – von ihrer Molekülstruktur abhängt.

Supramolekulare Polymer-Hydrogel-Materialien haben viele interessante Eigenschaften. Neben der Reizreaktion verfügen sie auch über eine starke Zähigkeit und Selbstheilungskräfte. Allerdings ist es eine große Herausforderung, Hydrogelmaterialien herzustellen, die hohem Druck standhalten, ohne zu zerdrücken.

Wie wird „Super Jelly“ hergestellt?

Das Team verwendete tonnenförmige Moleküle namens Cucurbiturile, um das druckbeständige Hydrogel herzustellen.

Cucurbituril, auch bekannt als Cucurbitacin, ist ein vernetztes Molekül mit hoher Steifigkeit und besonderer Struktur. Es hat die Form eines Kürbisses mit offenen Hohlräumen an beiden Enden. Sein Hohlraum kann zwei Gastmoleküle aufnehmen, wie molekulare „Handschellen“.

Die Forscher haben Gastmoleküle so konzipiert, dass sie länger als normal in der Kavität verbleiben. Dadurch bleibt das Polymernetzwerk fest verbunden und kann stärkeren Drücken standhalten.

Abbildung ｜Design von glasartigen SPNs. A. Schematische Darstellung des dynamischen Mechanismus von SPNs (oben); B. Molekulare Strukturen von Perfluorphenyl (5FBVI), substituierten Phenyl (RBVI)-Gästen und Wirtsmakrozyklen; C. Ternäres Komplexierungsgleichgewicht, einschließlich der ersten und zweiten assoziierten, durch den Wirt verstärkten polaren π-π-Wechselwirkungen und der damit verbundenen kinetischen Parameter; D. Supramolekulare Polyacrylamid-Netzwerke, die durch die oben genannten Wechselwirkungen und zwei RBVI-Gäste vernetzt sind, weisen eine langsame Dissoziationskinetik und eine hohe Druckfestigkeit auf. (Quelle: Dieses Dokument)

80 % dieses Polymers sind Wasser, was etwa 10 % mehr ist als der Wassergehalt der Longanfrucht, die wir essen. Longan zerbricht, wenn man es in den Mund nimmt und darauf beißt (die Beißkraft eines Erwachsenen beträgt etwa 50 kg), während das Polymer in dieser Studie dem Gewicht eines Autos (1200 kg) standhalten kann.

Man kann sich vorstellen, wie viel Druckbelastbarkeit und gute Kompressionsleistung dieses Polymer hat, und eine so große Druckbelastbarkeit ist für Hydrogelmaterialien sehr schwierig; Gleichzeitig ist es unglaublich, gute Elastizität und starke Druckfestigkeit im selben Material zu vereinen.

Darüber hinaus verfügt das Material über eine gute zyklische Kompressibilität und verformt oder bricht auch nach wiederholtem Zusammenstoß mit einem Auto nicht.

Zu den mechanischen Eigenschaften des Materials sagte Dr. Zehuan Huang, der Erstautor des Artikels: „Um ein Material mit den gewünschten mechanischen Eigenschaften herzustellen, haben wir einen langsam dissoziierenden, nicht-kovalenten Vernetzer verwendet, um die beiden Moleküle durch eine chemische Bindung miteinander zu verbinden.“

Noch erstaunlicher ist, dass die Druckbelastbarkeit von „Super Jelly“ in einem gewissen Bereich angepasst werden kann. „Wir haben festgestellt, dass wir die Druckfestigkeit des Materials leicht steuern können, indem wir einfach die chemische Struktur der Gastmoleküle in den Handschellen ändern“, sagte Dr. Jade McCune, Co-Autorin des Artikels.

Das ist genau so, als würden wir zum chinesischen Neujahr Teigtaschen zubereiten. Wenn die Knödel mit normaler Füllung gefüllt sind, schmecken sie weich und aromatisch. Wer jedoch Münzen in die Knödel steckt, wird sich mit Sicherheit die Zähne brechen.

Ebenso kann neben der einstellbaren Druckfestigkeit auch die Beschaffenheit dieses Materials angepasst werden. Für die „Handschellen“ wählte das Team spezielle Gastmoleküle aus. Durch die Veränderung der Molekülstruktur der Gastmoleküle kann die Dynamik des Materials stark „verlangsamt“ werden, und letztendlich ändern sich die mechanischen Eigenschaften des Materials von gummiartig zu glasartig.

Daher ist dieses gelartige SPNs-Material mit extrem hoher Kompressibilität und ultrahoher Festigkeit ein wichtiger Meilenstein im Bereich der Hochleistungs-Weichmaterialien.

In diesem Zusammenhang sagte Dr. Zehuan Huang auch: „Soweit wir wissen, ist dies das erste Mal, dass dieses Material hergestellt wurde. Wir schreiben nicht nur etwas Neues in Lehrbüchern, wir schlagen ein neues Kapitel im Bereich der Hochleistungs-Weichmaterialien auf.“

Aus „Jelly“ wird Schuhsohle

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Wissenschaft und Technologie gewinnen Hochleistungsdrucksensoren in Forschungsbereichen wie elektronischer Haut, tragbaren Geräten und Softrobotern an großer Bedeutung.

Allerdings ist der Messbereich der meisten Drucksensoren auf Hydrogelbasis bislang relativ eng und auf niedrigere Drücke unter 400 kPa beschränkt, was ihre Anwendung in der Hochdruckmessung einschränkt.

Um die Anwendung des Materials in der Bioelektronik hervorzuheben, stellten die Forscher einen kapazitiven Drucksensor auf Hydrogelbasis her und formten die Oberfläche der SPNs zu einer halbkugelförmigen Struktur, um die Empfindlichkeit des Materials zu verbessern.

Untersuchungen zeigen, dass dieser halbkugelförmige Sensor ultrahohen Arbeitsdrücken von bis zu 2,5 MPa (1 MPa = 1000 kPa) standhalten kann und dabei eine drei- bis viermal höhere Empfindlichkeit als planare Drucksensoren aufweist.

Die Forscher platzierten den Sensor an den Fußsohlen und konnten so drei Bewegungen (Gehen, Springen und Stehen) erfolgreich in Echtzeit überwachen.

Während des Echtzeit-Überwachungsprozesses führte der menschliche Körper jeweils 10 Sekunden lang Geh-, Sprung- und Stehbewegungen aus. Bei jeder Bewegung beobachteten die Forscher eine gleichbleibende Änderung der Kapazität und das Material konnte sich nach jeder Verformung vollständig von selbst erholen.

Zusammengenommen deuten diese Daten darauf hin, dass das Material aufgrund seiner extrem hohen Druckfestigkeit möglicherweise in der Prothetik, der sensorischen Berührung in Armen, der Roboterhaut und vielem mehr eingesetzt werden kann.

Abbildung | Kompressionsbewegung des menschlichen Körpers, überwacht durch einen kapazitiven Drucksensor auf SPN-Basis. A. Demonstrationsdiagramm eines Drucksensors mit Kuppelstruktur, der an einem 80 kg schweren menschlichen Fuß montiert ist und zur Erfassung menschlicher Bewegungen verwendet wird; B. Echtzeit-Überwachungsdiagramm der Kapazitätsänderungen im Laufe der Zeit für drei menschliche Bewegungen: Gehen, Springen und Stehen; e. Schematische Darstellung eines kapazitiven Drucksensors mit halbkugelförmiger Oberflächenstruktur; F. Diagramm der relativen Kapazität und des Drucks mit Angabe der Empfindlichkeit.

Vielleicht kann dieses Material in naher Zukunft enorme Veränderungen in Bereichen wie künstlichen Muskeln, Tissue Engineering, Softrobotik und tragbarer Bioelektronik bewirken.

Kann dieses gelartige supramolekulare Polymer jedoch mit herkömmlichen kovalenten Polymeren (einschließlich Proteinen, Seide, Stärke, Gummi usw., die in unserem Leben weit verbreitet sind) konkurrieren?

Glauben Sie, dass dieses Material in Zukunft Plastik in unserem Leben ersetzen kann?

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Quellen:
https://www.nature.com/articles/s41563-021-01124-x
https://www.eurekalert.org/news-releases/935677

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemrev.5b00369

Geschrieben von: Hao Jing. Bearbeitet von: Kou Jianchao. Layout: Li Xuewei

Quelle: Academic Headlines