Een nieuw materiaal dat 1.800-voudig verstijft bij blootstelling aan hitte, kan motorrijders en coureurs beschermen tegen ongevallen.
Hokkaido University-onderzoekers hebben een hydrogel ontwikkeld die het tegenovergestelde doet van wat op polymeren gebaseerde materialen, zoals plastic flessen, normaal doen: hun materiaal hardt uit bij verhitting en wordt zacht bij afkoeling. Hun bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials , zouden kunnen leiden tot de productie van beschermende kledingartikelen voor verkeers- en sportgerelateerde ongevallen. De gel is zacht en transparant bij 25 ° C en kan geen gewicht van 10 kg dragen (bovenste panelen) maar wordt snel stijf en ondoorzichtig wanneer het wordt verwarmd tot 60 ° C en sterk genoeg wordt om het gewicht te dragen (onderste panelen).
Takayuki Nonoyama en Jian Ping Gong van de Universiteit van Hokkaido en hun collega’s werden geïnspireerd door hoe eiwitten stabiel blijven in organismen die overleven in extreme hitte, zoals hete bronnen en diepzee thermische ventilatieopeningen. Normaal gesproken denatureert proteïnen, waardoor hun structuur verandert en hun bindingen worden verbroken. Maar de eiwitten in thermofielen blijven stabiel met warmte dankzij verbeterde elektrostatische interacties zoals ionische bindingen.
Het team ontwikkelde een goedkope, niet-toxische polyacrylgel op basis van dit concept. Een gel samengesteld uit polyelektrolyt poly (acrylzuur) (PAAc) werd ondergedompeld in een waterige oplossing van calciumacetaat. PAAc werkt op zichzelf als elk ander materiaal op polymeerbasis en wordt zacht bij verhitting. Maar wanneer calciumacetaat wordt toegevoegd, interageren de zijresten van PAAc met de calciumacetaatmoleculen, op een manier vergelijkbaar met wat er gebeurt in thermofiele eiwitten, waardoor PAAc heel anders werkt.
Het team ontdekte dat hun oorspronkelijk uniforme gel zich afscheidt in een polymeer-dichte “fase” en een dunne polymeerfase naarmate de temperatuur stijgt. Wanneer het een kritische temperatuur bereikt, in dit geval rond 60 ° C, ondergaat de dichte fase een significante uitdroging die ionische bindingen en hydrofobe interacties tussen polymeermoleculen versterkt. Hierdoor transformeert het materiaal snel van een zachte, transparante hydrogel naar een stijve, ondoorzichtige kunststof.
Het verwarmde materiaal was 1800 keer stijver, 80 keer sterker en 20 keer sterker dan de originele hydrogel. De zachte naar stijve omschakeling was volledig omkeerbaar door het materiaal afwisselend te verwarmen en af te koelen. Bovendien konden de wetenschappers de schakeltemperatuur bijstellen door de concentratie van de ingrediënten aan te passen. Ze toonden vervolgens een mogelijke toepassing van het materiaal door het te combineren met een geweven glasweefsel. Dit nieuwe weefsel was zacht bij kamertemperatuur, maar toen het gedurende vijf seconden met een snelheid van 80 km / uur tegen een asfaltoppervlakte werd getrokken, verhardde de warmte die door de wrijving werd gegenereerd het materiaal met slechts kleine schaafwonden die zich op het contactoppervlak vormden.
Takayuki Nonoyama zegt: “Kleding gemaakt van vergelijkbare stof kan bijvoorbeeld worden gebruikt om mensen te beschermen tijdens verkeer of sportgerelateerde ongevallen. Ons materiaal kan ook worden gebruikt als een warmte-absorberende raamcoating om binnenomgevingen koeler te houden. ”
“Deze polymeergel kan gemakkelijk worden gemaakt van veelzijdige, goedkope en niet-giftige grondstoffen die vaak in het dagelijks leven worden aangetroffen. In het bijzonder worden de polyacrylzuren gebruikt in wegwerpluiers en calciumacetaten worden gebruikt in levensmiddelenadditieven, “voegde Jian Ping Gong toe. “Onze studie draagt bij aan fundamenteel onderzoek naar nieuwe temperatuurgevoelige polymeren en aan toegepast onderzoek naar temperatuurgevoelige slimme materialen.”
Takayuki Nonoyama van het onderzoeksteam aan de Hokkaido University.