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新工艺缩小了天然材料与合成材料之间的差距

诸如皮肤,软骨和肌腱等天然材料足够坚硬以支撑我们的体重和运动,但又具有足够的柔韧性以至于它们不容易破裂。尽管我们认为这些属性是理所当然的,但要在合成材料中复制这种独特的组合比听起来要难得多。现在,EPFL的科学家们已经开发出一种新的方法来制造坚固,柔软的复合聚合物,这种聚合物可以更接近自然世界中发现的材料。他们的突破,如发表在《高级功能材料》上的一篇论文中所述,可能会在诸如软机器人技术和软骨假体植入物等领域得到应用。

新工艺缩小了天然材料与合成材料之间的差距

通常,合成水凝胶分为两种非常不同的材料类别。第一种类型,包括窗户玻璃和一些聚合物,坚硬且承重,但吸收能量却很差:即使是最细微的裂纹也可能扩散到整个结构中。第二组中的材料具有更好的抗裂性,但需要权衡:它们非常柔软-实际上如此柔软,以至于它们无法承受重负荷。然而,由生物材料和蛋白质(包括胶原蛋白)组成的天然复合材料既坚固又抗裂。他们将这些特性归功于从纳米级到毫米级的高度精确的结构:例如,织造纤维被组织成更大的结构,然后依次排列以形成其他结构,依此类推。

该论文的主要作者,EPFL软材料实验室的助理教授埃丝特·阿姆斯塔德(Esther Amstad)说:“距离能够控制这么多不同规模的合成材料的结构还有很长的路要走。” 然而,在Amstad的指导下工作的两位博士助理Matteo Hirsch和Alvaro Charlet,已经从自然界中汲取了灵感,已经设计出一种新的方法来制造合成复合材料。“在本质上,基本的构建基块被封装在隔间中,然后以高度本地化的方式发布,” Amstad解释说。“此过程可更好地控制材料的最终结构和局部成分。我们采用了类似的方法,

首先,科学家将单体封装在水油乳液的小滴中,这些小滴充当隔室。在液滴内部,单体结合在一起形成聚合物网络。在这一点上,微粒是稳定的,但它们之间的相互作用较弱,这意味着该材料不能很好地保持在一起。接下来,在将材料还原形成一种糊剂之前,将高度多孔的微粒(如海绵)浸入另一类单体中。正如Alvaro Charlet所说,它的外观“有点像湿沙,可以塑造成沙堡”。

然后,科学家对糊状物进行了3D打印,然后将其暴露在紫外线辐射下。这导致在第二步骤中添加的单体聚合。这些新聚合物与过程中较早形成的聚合物交织在一起,从而使糊状物硬化。这产生了一种非常坚固,耐磨的材料。研究团队表明,直径仅为3 mm的管子可以承受高达10 kg的拉伸载荷和高达80 kg的压缩载荷,而不会破坏其结构完整性。

他们的发现在软机器人中具有潜在的用途,在这种机器人中,模仿活体组织特性的材料倍受追捧。开创性的工艺还可以用于开发软骨修复植入物的生物相容性材料。

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点击次数:更新时间2020-11-24【打印此页】??【关闭
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