Loodi uus materjal – klaasgeel, mis muu hulgas parandab ise ka oma praod

Klaasgeel on tavatute omadustega: geelina see ei kuiva ja mehaanilistelt omadustelt on ühtlasi tugev ja venivgi. Foto: Meixiang Wang / Põhja-Carolina osariigi ülikool

Teadlased on loonud uue materjalide klassi, mida nimetatakse «klaasgeelideks», mis on poolvedelad, kuid raskesti murtavad.

Need geelid on venivad, omapäraselt kleepuvad ja suudavad end lõikekohtades ise parandada, muutes need potentsiaalselt kasulikumaks laiemas valikus rakendustes kui tavaliselt kasutatavad plastid, mis on kas kõvad ja haprad või pehmed ja kergesti rebitavad.

«Oleme loonud materjalide klassi, mida nimetame klaasgeelideks, mis on sama kõvad kui klaasjad polümeerid, kuid – kui rakendada piisavalt jõudu – suudavad venida kuni viis korda oma esialgsest pikkusest, selle asemel, et murduda,» ütleb Michael Dickey, materjaliteadlane Põhja-Carolina Riiklikust Ülikoolist (NCSU).

«Kuid nagu paljude juhuslike teaduslike avastuste puhul, ei olnud eesmärk kunagi luua täiesti uut ainete klassi,» räägib Dickey ScienceAlertile.

«Me piltlikult komistasime nende huvitavate materjalide otsa,» ütleb ta, kui NCSU uurija Meixiang Wang katsetas ioonseid geele, materjale, mis koosnevad elektrit juhtiva ioonse vedelikuga paisutatud polümeerist.

Wang püüdis luua venivaid, portatiivseid seadmeid, mida võiks kasutada rõhuandurites, meditsiiniseadmetes või robootikas. Koostist muutes tootis Wang geeli, mis alguses nägi välja nagu «tavaline läbipaistev, painduv plast», enne kui testimine näitas, et see on väga kõva – kuid mitte habras nagu teised tavalised plastid.

«Kui saime aru, et neil on tähelepanuväärsed omadused, hakkasime neid paremini mõistma,» ütleb Dickey.

Klaasgeelide omadused ja potentsiaalsed rakendused

Klaasgeelid on valmistatud ioonse vedeliku abil, mis on sarnane veega, kuid koosneb täielikult laetud osakestest, mis teeb sellest elektrijuhi. Kui seda segada polümeeri moodustavate molekulidega – prekursoritega – lükkab vedelik polümeerketid lahku, muutes materjali pehmeks ja venivaks. Samal ajal on ioonid tugevalt tõmmatud polümeerkettide külge, takistades nende eraldumist.

«Lõpptulemus on, et materjal on tugev tänu tõmbejõududele, kuid suudab siiski venida tänu molekulidevahelisele lisaruumile,» selgitab Dickey.

Vaata ka videot:

Klaasgeelid ei kuiva, kuigi need koosnevad 50 kuni 60 protsendist vedelikust, ja testimine näitas, et neil on tohutu purunemis- ja sitkusjõud. Materjal suudab end ka ise parandada, taastudes lõikamisel, ning tal on teatud mälu, mis võimaldab venitatud geelil oma kuju säilitada ja kuumutamisel algsesse vormi naasta.

Kuigi sellised regenereerivad omadused ei ole venivate geelitaoliste materjalide puhul otseselt uued, on teadlased hiljuti saavutanud palju raskema ülesande – muuta tavaliselt jäigad materjalid, nagu metallid, klaas, päikesepaneelid ja betoon, iseparanduvateks. Kui need materjalid suudetakse turule tuua, võivad need aidata vähendada jäätmete teket ehituses, elektroonikas ja moetööstuses.

Klaasgeelide edasine uurimine

Klaasgeelide erakordne omaduste kombinatsioon on midagi, mida teadlased soovivad veelgi uurida.

«Võib-olla on kõige intrigeerivam klaasgeelide omadus see, kui kleepuvad nad on,» ütleb Dickey. «Me mõistame, mis teeb nad kõvaks ja venivaks, kuid me võime ainult spekuleerida, mis teeb nad nii kleepuvaks.»

Loomulikult on vaja rohkem testimist ja geelide optimeerimist, enne kui neid saab praktiliselt kasutada, kuid Dickey sõnul on tugevad elektrit juhtivad (nagu antud geel seda teeb) materjalid kasulikud akudes.

Muud potentsiaalsed kasutusalad hõlmavad plastitaoliste materjalide 3D-printimist, kasutades lihtsamaid tehnikaid kui sulatustöötlus – meetod, mida praegu kasutatakse kommertsplastide tootmiseks lähtemassidest. See protsess hõlmab sageli toodete saatmist mitmesse tehasesse iga plastitootmise etapi jaoks, samas kui klaasjad geelid saab süstida vormi ja UV-valgusega kõvendada.

Enne rakendustele keskendumist soovib Dickey meeskond paremini mõista, kuidas need materjalid moodustuvad ja miks tundub olevat lahusti ja polümeeri vahel nn võluvahekord (magic ratio), mis loob neile geelidele unikaalsed omadused.

«Arvestades nende ainete ainulaadseid omadusi, oleme optimistlikud, et need materjalid on kasulikud,» ütleb Wang.

Uuring avaldati ajakirjas Nature.

Allikas: Sciencealert