Bio-inspiriertes Hydrogel kann schnell auf Hartkunststoff umspringen
Ein neues Material, das bei Hitzeeinwirkung 1.800-fach versteift, könnte Motorradfahrer und Rennfahrer bei Unfällen schützen.
Das Gel ist bei 25°C weich und transparent und kann ein Gewicht von 10 kg (obere Platten) nicht tragen, wird aber schnell steif und undurchsichtig, wenn es auf 60°C erhitzt wird, wodurch es stark genug wird, um das Gewicht (untere Platten) zu tragen. (Nonoyama T. et al., Advanced Materials, 18. November 2019).
Nonoyama T. et al., Advanced Materials, November 18, 2019
Forscher der Hokkaido University haben ein Hydrogel entwickelt, das das Gegenteil von dem tut, was polymerbasierte Materialien, wie Kunststoffflaschen, normalerweise tun: Ihr Material härtet beim Erhitzen aus und wird beim Abkühlen weicher. Ihre Ergebnisse, die in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht wurden, könnten zur Herstellung von Schutzkleidung für Verkehrs- und Sportunfälle führen.
Takayuki Nonoyama und Jian Ping Gong von der Hokkaido University und ihre Kollegen ließen sich davon inspirieren, wie Proteine in Organismen, die in extrem heißen Umgebungen überleben, wie heißen Quellen und Thermalquellen in der Tiefsee, stabil bleiben. Normalerweise "denaturiert" die Hitze Proteine, verändert ihre Struktur und bricht ihre Verbindungen. Aber die Proteine in den Thermophilen bleiben dank verbesserter elektrostatischer Wechselwirkungen wie ionischer Bindungen bei Hitze stabil.
Basierend auf diesem Konzept entwickelte das Team ein kostengünstiges, ungiftiges Polyacryl-Gel. Ein Gel aus Polyelektrolyt-Poly(acrylsäure) (PAAc) wurde in eine wässrige Kalziumacetatlösung eingetaucht. PAAc selbst wirkt wie jedes andere Material auf Polymerbasis und wird beim Erwärmen weicher. Aber wenn Calciumacetat zugegeben wird, interagieren die Seitenreste von PAAc mit den Calciumacetatmolekülen, ähnlich wie bei thermophilen Proteinen, so dass PAAc sehr unterschiedlich reagiert.
Das Team fand heraus, dass sich ihr ursprünglich einheitliches Gel in eine polymere dichte "Phase" und ein polymerarmes mit steigender Temperatur trennt. Wenn sie eine kritische Temperatur erreicht, in diesem Fall etwa 60°C, erfährt die dichte Phase eine signifikante Dehydrierung, die Ionenbindungen und hydrophobe Wechselwirkungen zwischen Polymermolekülen verstärkt. Dadurch wandelt sich das Material schnell von einem weichen, transparenten Hydrogel zu einem starren, opaken Kunststoff.
Das erwärmte Material war 1.800 mal steifer, 80 mal stärker und 20 mal fester als das ursprüngliche Hydrogel. Die Soft-Starr-Schaltung war vollständig reversibel, indem das Material alternativ erwärmt und gekühlt wurde. Darüber hinaus konnten die Wissenschaftler die Schalttemperatur durch Anpassung der Konzentration der Inhaltsstoffe feinabstimmen.
Sie zeigten dann eine mögliche Anwendung des Materials, indem sie es mit einem Glasgewebe kombinierten. Dieses neue Gewebe war bei Raumtemperatur weich, aber als es fünf Sekunden lang mit einer Geschwindigkeit von 80 km/h gegen eine Asphaltfläche gezogen wurde, härtete die durch die Reibung erzeugte Wärme das Material aus, wobei sich nur geringe Abrieberscheinungen auf der Kontaktfläche bildeten.
Takayuki Nonoyama sagt: "Kleidung aus ähnlichem Gewebe könnte zum Beispiel zum Schutz von Menschen bei Verkehrs- oder Sportunfällen verwendet werden. Unser Material kann auch als wärmeabsorbierende Fensterbeschichtung verwendet werden, um die Raumluft kühler zu halten."
"Dieses Polymergel lässt sich leicht aus vielseitigen, preiswerten und ungiftigen Rohstoffen herstellen, die im täglichen Leben häufig vorkommen. Konkret werden die Polyacrylsäuren in Einwegwindeln und Calciumacetate in Lebensmittelzusätzen verwendet", fügte Jian Ping Gong hinzu. "Unsere Studie trägt zur Grundlagenforschung über neue temperaturabhängige Polymere und zur angewandten Forschung über temperaturabhängige intelligente Materialien bei."
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