研究人员创造出一种独特的水凝胶，它既坚韧又能自我修复，这要归功于纳米片增强的聚合物纠缠。这种材料能在数小时内自我修复，可彻底改变人造皮肤、机器人和医疗应用。
水凝胶在莫比乌斯环中通过自我修复形成的艺术表现。 图片来源：Margot Lepetit / 阿尔托大学
凝胶在日常生活中随处可见，从美发产品到果冻状质地的食品。 虽然人类的皮肤也有一些类似凝胶的特质，但却很难复制。 皮肤既僵硬又有弹性，而且具有非凡的自愈能力--通常在受伤后 24 小时内就能完全修复。
迄今为止，人造凝胶只能模仿皮肤的硬度或自我修复能力，而不能同时模仿两者。 来自阿尔托大学和拜罗伊特大学的研究小组现已克服了这一局限。 他们开发出了一种具有独特结构的水凝胶，这种水凝胶兼具强度和自我修复功能，为药物输送、伤口愈合、软机器人和人造皮肤领域的进步铺平了道路。
在这项突破性研究中，研究人员通过添加超薄大粘土纳米片增强了一种水凝胶。 水凝胶通常是柔软的，但这种新材料形成了一种高度有序的结构，纳米片之间有密集缠结的聚合物。 这不仅能增强水凝胶的强度，还能使其在受损后自我愈合。
这项研究发表在今天（3月7日）出版的著名期刊《自然材料》上。
这种材料的秘密不仅在于纳米片的有序排列，还在于纳米片之间缠结的聚合物，以及一种像烘烤一样简单的工艺。 博士后研究员陈亮将单体粉末与含有纳米片的水混合。 然后将混合物放在紫外线灯下--类似于凝胶指甲油的定型灯。梁解释说："紫外线灯的紫外线辐射会使单个分子结合在一起，从而使一切都变成弹性固体--凝胶。"
阿尔托大学的张航补充说："纠缠意味着薄聚合物层开始像细小的羊毛纱线一样相互缠绕，但顺序是随机的。当聚合物完全纠缠在一起时，它们彼此无法区分。 它们在分子水平上非常活跃和机动，当你切断它们时，它们又开始交织在一起。"
在用刀切开四小时后，这种材料的自我修复率已经达到 80% 或 90%。 此外，一毫米厚的水凝胶含有 10，000 层纳米薄片，这使得这种材料的硬度与人类皮肤相当，并具有同等程度的伸展性和柔韧性。
"长期以来，水凝胶的硬度、强度和自愈性一直是个难题。 我们发现了一种能增强传统软水凝胶的机制。 这将彻底改变具有生物启发特性的新材料的开发。"
"这项工作是一个令人兴奋的例子，说明生物材料如何启发我们为合成材料寻找新的特性组合。 想象一下，机器人拥有坚固耐用、自我修复的皮肤，或者合成组织能够自主修复，"阿尔托大学的奥利-伊卡拉（Olli Ikkala）说。 尽管离实际应用可能还有一段距离，但目前的成果代表了一次关键性的飞跃。这是一种可以更新材料设计规则的基础性发现。
编译自/scitechdaily