Auto-reparables y microfibras hidrogel resistentes a las grietas inspiradas en la seda de araña.

19 de mayo de 2023 característica

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por Ingrid Fadelli, Tech Xplore

En los últimos años, los científicos de materiales han estado creando nuevos materiales con una serie de propiedades ventajosas que podrían mejorar el rendimiento de diferentes tecnologías y dispositivos. Esto incluye fibras a base de hidrogel y pieles artificiales, que podrían ayudar a crear robots humanoides suaves, prótesis e incluso ropa inteligente o dispositivos portátiles cómodos.

Investigadores de la Universidad Donghua en China crearon recientemente nuevos microfibras a base de hidrogel que son robustas, autorreparables y resistentes a las grietas. Estas microfibras, presentadas en Nature Communications, se fabricaron utilizando un proceso inspirado en cómo las arañas tejen sus telarañas.

"Notamos que aunque se han sintetizado muchas fibras de hidrogel sintético para imitar las funciones básicas de las fibras biológicas como la seda, las fibras musculares y nerviosas, la mayoría de ellas tienen una resistencia al daño muy pobre, lo que limita en gran medida su durabilidad", dijo Shengtong Sun, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio, a Tech Xplore. "Esto podría resolverse aprendiendo la estructura de la seda de araña, que representa casi el límite de la resistencia de los materiales biológicos naturales conocidos".

Las arañas tejen telas de seda muy fuertes a partir de una solución cristalina acuosa, en la que las moléculas de proteína pueden moverse libremente y retener algún grado de orden. Las telas que crean siguen una estructura nanoconfinada jerárquica con propiedades mecánicas ventajosas.

"Nos imaginamos que el complejo iónico de un polielectrolito higroscópico de carga positiva (PDMAEA-Q) y ácido metacrílico (PMAA) podría ser un sistema ideal para producir fibras de hidrogel resistentes al daño", explicó Sun. "En la fibra formada, PMAA formaría conglomerados de enlaces de hidrógeno fuertes incrustados en la matriz suave de complejos iónicos. Esto teóricamente podría imitar la estructura nanoconfinada de seda de araña para mejorar el rendimiento mecánico".

Las microfibras de hidrogel de los investigadores se produjeron en condiciones ambientales, al igual que las en las que las arañas producen su tela. Utilizaron una técnica conocida como hilado de pultrusión para formar las fibras a partir de una solución acuosa que contenía PMAA y PDMAEA-Q.

"La nanoconfinación espontánea de las cadenas PMAA (conglomerados de enlaces de hidrógeno) ocurre naturalmente durante la evaporación del agua como nanofases separadas incrustadas en la matriz suave de PDMAEA-Q/PMAA", dijo Sun. "Esta nanoconfinación jerárquica confiere a las microfibras de hidrogel propiedades mecánicas muy altas. Por ejemplo, la fibra de hidrogel es bastante robusta con un módulo de Young alto de 428 MPa y una elongación del 219%".

En las evaluaciones iniciales, las microfibras creadas por los investigadores exhibieron propiedades muy prometedoras. Por ejemplo, se descubrió que tenían una alta capacidad de amortiguamiento y resistencia a las grietas, así como una alta sensibilidad a la humedad que les permitió contraerse, retener formas específicas y recuperarse rápidamente cuando están dañadas.

"En general, las propiedades mecánicas demandan fuertes enlaces covalentes, mientras que la capacidad de reparación rápida requiere redes altamente dinámicas, que son inherentemente contradictorias", dijo Sun. "Abordamos este problema empleando la estructura nanoconfinada similar a seda de araña. Es importante destacar que esta estructura jerárquica se forma espontáneamente durante la evaporación del agua para evitar los tediosos pasos y el costo energético para un tratamiento adicional".

El trabajo reciente de este equipo de investigadores pronto podría inspirar la producción de otros materiales fibrosos altamente efectivos basados en estructuras nanoconfinadas y procesos de hilado similares. Además, las microfibras de hidrogel inspiradas en la seda de araña creadas por ellos pronto podrían aplicarse y evaluar en entornos reales, por ejemplo, como fibras actuadoras de miembros protésicos o dispositivos portátiles.

"Hemos demostrado que las fibras de hidrogel con estructuras nanoconfinadas pueden mostrar propiedades muy buenas, pero la resistencia de las fibras aún no es comparable a la de la seda de araña real", agregó Sun. "En el futuro, intentaremos introducir nanocristales aún más fuertes como nanoconfinamiento para mejorar aún más las propiedades mecánicas de las fibras de hidrogel".

More information: Yingkun Shi et al, Aqueous spinning of robust, self-healable, and crack-resistant hydrogel microfibers enabled by hydrogen bond nanoconfinement, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37036-4

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