Fibre microgel auto-riparabili e resistenti alle crepe ispirate alla seta di ragno

19 maggio 2023 feature

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di Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Negli ultimi anni, i material scientist hanno creato nuovi materiali con diverse proprietà vantaggiose che potrebbero migliorare le prestazioni delle diverse tecnologie e dei dispositivi. Ciò include fibre a base di idrogel e pelli artificiali, che potrebbero aiutare a creare robot umanoidi morbidi, protesi e persino abbigliamento smart o dispositivi portatili confortevoli.

Ricercatori dell'Università Donghua in Cina hanno recentemente creato nuove microfibre a base di idrogel che sono robuste, auto-cicatrizzanti e resistenti alle crepe. Queste microfibre, introdotte in Nature Communications, sono state prodotte utilizzando un processo ispirato a come gli insetti tessono le loro ragnatele.

"Abbiamo notato che sebbene siano state sintetizzate molte fibre a base di idrogel sintetico per imitare le funzioni di base delle fibre biologiche come seta, muscoli e fibre nervose, la maggior parte di esse ha una scarsa resistenza ai danni, il che limita notevolmente la loro durata", ha detto Shengtong Sun, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, a Tech Xplore. "Ciò potrebbe essere risolto apprendendo la struttura della seta del ragno, che rappresenta quasi il limite della tenacità dei noti materiali biologici naturali."

I ragni tessono ragnatele molto resistenti utilizzando una soluzione cristallina liquida in cui le molecole proteiche possono muoversi liberamente mantenendo un certo grado di ordine. Le ragnatele che creano seguono una struttura nanometrica gerarchica con proprietà meccaniche vantaggiose.

"Abbiamo ipotizzato che il complesso ionico di un polieletròlita igroscopico e a carica positiva (PDMAEA-Q) e di acido polimetacrilico (PMAA) potrebbe essere un sistema ideale per produrre fibre idrogel tolleranti ai danni", ha spiegato Sun. "Nella fibra formata, PMAA formerebbe cluster di legame idrogeno forte, incorporati nella matrice morbida dei complessi ionici. Ciò potrebbe teoricamente imitare la struttura nanometrica della seta del ragno per un miglioramento delle prestazioni meccaniche".

Le microfibre idrogel dei ricercatori sono state prodotte in condizioni ambientali, proprio come quelle in cui i ragni producono la loro ragnatela. Hanno utilizzato una tecnica nota come filatura di pultrusione per formare le fibre da una soluzione acquosa contenente PMAA e PDMAEA-Q.

"La nanoconfinazione spontanea delle catene PMAA (cluster legati a idrogeno) si verifica naturalmente durante l'evaporazione dell'acqua come nanofasi separate incorporate nella matrice morbida PDMAEA-Q/PMAA", ha detto Sun. "Questa nanoconfinazione gerarchica conferisce alle microfibre idrogel alte proprietà meccaniche. Ad esempio, la fibra idrogel è piuttosto robusta, con un alto modulo di Young di 428 MPa e un'allungamento del 219%".

Nelle valutazioni iniziali, le microfibre create dai ricercatori hanno mostrato proprietà molto promettenti. Ad esempio, sono state trovate con una capacità di attenuazione elevata e una resistenza alle crepe, nonché una elevata sensibilità all'umidità che ha permesso di contrarsi, mantenere forme specifiche e ripararsi rapidamente quando danneggiate.

"In generale, le alte proprietà meccaniche richiedono forti legami covalenti mentre la capacità di riparazione rapida richiede reti altamente dinamiche, che sono intrinsecamente contrastanti", ha detto Sun. "Risolviamo questo problema utilizzando la struttura nanometrica ispirata alla seta del ragno. Inoltre, questa struttura gerarchica si forma spontaneamente durante l'evaporazione dell'acqua, evitando le noiose e costose fasi di ulteriore trattamento".

Il recente lavoro di questo team di ricercatori potrebbe presto ispirare la produzione di altri materiali fibrosi altamente performanti basati su strutture nanometriche confinate e processi di tessitura simili. Inoltre, le microfibre idrogel ispirate alla seta del ragno che hanno creato potrebbero presto essere applicate ed valutate in contesti reali, ad esempio come fibre attuatorie di protesi o dispositivi portatili.

"Abbiamo dimostrato che le fibre idrogel con struttura nanometrica confinata possono mostrare proprietà molto buone, ma la tenacità delle fibre non è ancora paragonabile a quella della vera seta del ragno", ha aggiunto Sun. "In futuro, proveremo ad introdurre cristalli nanometrici ancora più forti come nanoconfinamento per ulteriori miglioramenti delle proprietà meccaniche delle fibre idrogel".

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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