Forscher erschaffen eine neue Materialklasse namens „glasartige Gele“

Forscher haben eine neue Klasse von Materialien namens „glasartige Gele“ entwickelt, die sehr hart und schwer zu brechen sind, obwohl sie mehr als 50 % Flüssigkeit enthalten. In Verbindung mit der Tatsache, dass Glasgele einfach herzustellen sind, ist dieses Material vielversprechend für eine Vielzahl von Anwendungen.

In der Zeitschrift erscheint ein Artikel mit dem Titel „Glassy Gels Toughened by Solvent“, der diese Arbeit beschreibt Natur.

Gele und glasartige Polymere sind Materialklassen, die historisch als voneinander verschieden angesehen wurden. Glasartige Polymere sind hart, starr und oft spröde. Sie werden zur Herstellung von Dingen wie Wasserflaschen und Flugzeugfenstern verwendet. Gele wie Kontaktlinsen enthalten Flüssigkeit und sind weich und dehnbar.

„Wir haben eine Klasse von Materialien geschaffen, die wir Glasgele nannten. Sie sind so hart wie Glaspolymere, können sich aber bei ausreichender Krafteinwirkung um das Fünffache ihrer ursprünglichen Länge dehnen, anstatt zu brechen“, erklärt Michael. Dickey, korrespondierender Autor einer Arbeit über die Arbeit und Camille und Henry Dreyfus Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik an der North Carolina State University. „Außerdem kann man das Material, sobald es gedehnt ist, durch Wärmeeinwirkung wieder in seine ursprüngliche Form bringen. Darüber hinaus ist die Oberfläche von Glasgelen stark haftend, was für harte Materialien ungewöhnlich ist.“

„Ein Schlüsselelement, das Glasgele auszeichnet, ist, dass sie zu mehr als 50 % flüssig sind, was sie zu effizienteren Stromleitern als herkömmliche Kunststoffe mit vergleichbaren physikalischen Eigenschaften macht“, sagt Meixiang Wang, Co-Hauptautorin des Artikels und Postdoktorandin. Forscher am NC State. „Angesichts der Vielzahl einzigartiger Eigenschaften, die sie besitzen, sind wir optimistisch, dass diese Materialien nützlich sein werden.“

Glasartige Gele sind, wie der Name schon sagt, tatsächlich ein Material, das einige der attraktivsten Eigenschaften von glasartigen Polymeren und Gelen vereint. Um sie herzustellen, gehen die Forscher von flüssigen Vorläufern glasartiger Polymere aus und mischen diese mit einer ionischen Flüssigkeit. Diese kombinierte Flüssigkeit wird in eine Form gegossen und ultraviolettem Licht ausgesetzt, wodurch das Material „aushärtet“. Anschließend wird die Form entfernt, wobei das glasartige Gel zurückbleibt.

„Ionische Flüssigkeit ist ein Lösungsmittel wie Wasser, besteht jedoch ausschließlich aus Ionen“, sagt Dickey. „Wenn man einem Polymer ein Lösungsmittel hinzufügt, trennt das Lösungsmittel normalerweise die Ketten des Polymers und macht das Polymer weich und dehnbar. Aus diesem Grund ist eine feuchte Kontaktlinse weich und eine trockene Kontaktlinse nicht. In glasartigen Gelen ist Durch das Lösungsmittel werden die Molekülketten des Polymers auseinandergezogen, wodurch es wie ein Gel dehnbar wird.

„Allerdings werden die Ionen im Lösungsmittel stark vom Polymer angezogen, was die Bewegung der Polymerketten verhindert. Die Unfähigkeit der Ketten, sich zu bewegen, macht es glasig. Das Endergebnis ist, dass das Material aufgrund der Kräfte hart wird.“ Anziehungskraft, kann aber aufgrund des zusätzlichen Abstands immer noch gedehnt werden.

Forscher fanden heraus, dass Glasgele mit einer Vielzahl verschiedener Polymere und ionischer Flüssigkeiten hergestellt werden können, obwohl nicht alle Polymerklassen zur Herstellung von Glasgelen verwendet werden konnten.

„Geladene oder polare Polymere sind vielversprechend für glasartige Gele, weil sie von der ionischen Flüssigkeit angezogen werden“, sagt Dickey.

In Tests stellten Forscher fest, dass Glasgele nicht verdunsten oder austrocknen, obwohl sie zu 50 bis 60 Prozent flüssig sind.

„Das vielleicht faszinierendste Merkmal von Glasgelen ist ihre adhäsive Natur“, sagt Dickey. „Denn obwohl wir verstehen, was sie hart und dehnbar macht, können wir nur darüber spekulieren, was sie so klebrig macht.“

Forscher glauben auch, dass Glasgele aufgrund ihrer einfachen Herstellung vielversprechend für praktische Anwendungen sind.

„Die Herstellung glasartiger Gele ist ein einfacher Prozess, der durch Aushärten in einer beliebigen Form oder durch 3D-Drucken erfolgen kann“, sagt Dickey. „Bei den meisten Kunststoffen mit ähnlichen mechanischen Eigenschaften müssen die Hersteller ein Polymer als Rohmaterial herstellen und es dann zu einer anderen Anlage transportieren, wo das Polymer geschmolzen und zum Endprodukt verarbeitet wird.

„Wir sind gespannt, wie Glasgele verwendet werden können, und sind bereit, mit Kooperationspartnern zusammenzuarbeiten, um Anwendungen für diese Materialien zu identifizieren.“

Der Co-Hauptautor des Papiers ist Xun Xiao von der University of North Carolina in Chapel Hill. Der Artikel wurde von Salma Siddika, einer Ph.D., mitverfasst. Student an der NC State; Mohammad Shamsi, ehemaliger Doktorand. Student an der NC State; Ethan Frey, Absolvent des Bundesstaates North Carolina; Brendan O’Connor, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der NC State; Wubin Bai, Professor für angewandte Physik an der UNC; und Wen Qian, wissenschaftlicher Mitarbeiter für Maschinenbau und Werkstofftechnik an der University of Nebraska-Lincoln.