Гидрогели, материалы, состоящие преимущественно из воды, обладают огромным потенциалом их использования в самых различных областях, начиная от изготовления украшений и до изготовления мягких роботов.
Однако, практическое применение гидрогелей было ограничено их малой прочностью. Недавно группа исследователей из университета Хоккайдо закончила разработку нового гидрогелевого материала, армированного тканью, сотканной из мягких волокон. И в результате этого показатель прочности нового материала в пять раз превышает показатель прочности углеродистой стали.
Композитные материалы известны людям уже почти тысячелетие, ведь принципы их изготовления достаточно просты. Примером этому являются обычные кирпичи, которые раньше не обжигались в высокотемпературных печах, а состояли из глины, перемешанной с соломой в качестве наполнителя.
Вернемся к гидрогелям. Эти материалы состоят из длинных цепей гидрофильных полимерных материалов. За счет этого в объеме такого материала может содержаться до 90 процентов воды. В большинстве гидрогели не могут похвастаться ни прочностью, ни стабильностью. Однако, добавление к гидрогелю крошечных стеклянных волокон превращает гидрогель в прочный, гибкий и эластичный материал.
Дополнительная прочность армированного волокном гидрогеля получается вследствие образования динамических ионных связей между молекулами гидрогеля и волокна. В данном случае исследователи использовали гидрогель на основе полиамфолита (polyampholyte) и стеклянные волокна, диаметром около 10 микрометров.
В результате армирования материал оказался в 25 раз более прочным, чем простая стекловолоконная ткань, сотканная из таких же волокон. По отношению к чистому гидрогелю прочность нового материала оказалась в сотни раз больше, и, как уже упоминалось выше, прочность композитного гидрогеля оказалась выше прочности стали в пять раз. Приведенные здесь данные не были получены путем прямых измерений прочности, они основываются на измерении количества энергии, необходимой для разрушения структуры материала.
«Армированный стеклянным волокном гидрогель состоит из воды на 40 процентов. Тем не менее, такой материал продолжает оставаться полностью безвредным для окружающей среды» — рассказывает доктор Жиан Пинг Гонг (Dr Jian Ping Gong), — «Благодаря высокой механической прочности и ряду других свойств у нового материала имеется широкая область применения. Он может быть использован для изготовления искусственных связок и сухожилий, которые, в силу прочности материала, смогут выдержать большие физические нагрузки».
