Es wird klebrig: Das leistungsstärkste klebende Hydrogelpolymer unter Wasser
Die von der Biologie inspirierte Technologie wurde mithilfe von Data Mining und maschinellem Lernen entwickelt
Hydrogele sind weiche, durchlässige Materialien, die aus Polymernetzwerken und Wasser bestehen und von der Biomedizintechnik bis zu Kontaktlinsen eingesetzt werden. Ein wesentliches Merkmal von Hydrogelen ist die Möglichkeit, ihnen durch Modifizierung ihrer Polymernetzwerke unterschiedliche Eigenschaften zu verleihen. Das Forschungslabor von Professor Gong am WPI-ICReDD an der Universität Hokkaido ist auf Hydrogeltechnologie spezialisiert und hat Hydrogele mit selbstverstärkenden, selbstheilenden, unter Wasser haftenden Eigenschaften und mehr entwickelt. Bei klebenden Hydrogelen ist es eine große Herausforderung, eine sofortige, starke und wiederholbare Unterwasserhaftung zu erreichen.
Ein Foto einer Gummiente, die mit einer neuartigen Hydrogeltechnologie an einem Felsen am Meer befestigt wurde und den wiederholten Gezeiten und Wellenschlägen standhält.
WPI-ICReDD, Hokkaido University
Durch eine Kombination aus Data Mining und maschinellem Lernen haben Professor Gong, Professor Takigawa, Professor Fan, Doktorand Liao und Kollegen vor kurzem die bisher stärksten unter Wasser haftenden Hydrogele mit einer Haftfestigkeit (Fa) von über 1 MPa entwickelt. Die Stärke der Gele war sowohl sofort als auch wiederholbar, und sie funktionieren auf verschiedenen Oberflächen bei unterschiedlichen Salzgehalten, von reinem Wasser bis zu Meerwasser. Diese Forschungsarbeit wurde in Nature veröffentlicht und für die Titelseite ausgewählt.
Zum Vergleich: Würden diese Hydrogele auf die Größe einer einzelnen Briefmarke (2,5 x 2,5 cm) zugeschnitten, könnten sie theoretisch ein Gewicht von etwa 63 kg (z. B. einen erwachsenen Menschen) tragen. Die Forscher demonstrierten die Haftkraft des Hydrogels, indem sie es an einer Gummiente auf einem Felsen am Meer anbrachten, wo es wiederholten Meeresfluten und Wellenschlägen standhielt.
In Anlehnung an die Biologie wurden diese Hydrogele mit Polymernetzwerken entwickelt, die von adhäsiven Proteinen stammen, die in Archaeen, Bakterien, Eukaryoten und Viren vorkommen. Trotz der Vielfalt dieser Organismen weisen diese Proteine gemeinsame Sequenzmuster auf, die die Adhäsion in nasser Umgebung ermöglichen. Zu diesem Zweck wurden ~25.000 Datensätze von Klebeproteinen aus der Proteindatenbank des National Center for Biotechnology Information (NCBI) nach relevanten Aminosäuresequenzen durchsucht, die für die Unterwasserhaftung wichtig sind.
Sie replizierten diese Sequenzen in Polymernetzwerke und synthetisierten 180 Hydrogele, die jeweils einzigartige Polymernetzwerke enthielten. Die aus der Untersuchung dieser Hydrogele gewonnenen Daten wurden mit Hilfe des maschinellen Lernens analysiert, wodurch die wichtigsten Polymersequenzen extrapoliert werden konnten. Die ursprünglichen 180 Gele, die mit Hilfe von Data Mining synthetisiert wurden, wiesen bessere Klebeeigenschaften auf als die zuvor in der Literatur beschriebenen Gele. Die durch maschinelles Lernen inspirierten Gele waren jedoch noch unglaublicher und übertrafen die oben erwähnten gewünschten Eigenschaften.
Wiederholbare und sofortige Adhäsion sind äußerst wünschenswerte Eigenschaften für Anwendungen von der biomedizinischen Technik bis zur Tiefseeforschung. Diese Eigenschaften wurden in einem Experiment bestätigt, bei dem das Wasserleck in einem beschädigten Rohr sofort und wiederholt abgedeckt werden konnte.
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