АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ PLAST/ПЛАСТ
LafargeHolcim поставляла бетон для виадука Мийо во Франции, самого высокого моста в мире (343 метра).
The Chemical Journal Июнь 2021
45
АГРОТЕХНОЛОГИИ
Умный гидрогель, меняющий цвет В Университете Хоккайдо открыт многофункциональный гидрогель, который меняет цвет при нагрузке
46
Июнь 2021 The Chemical Journal
Утилизация PLAST/ПЛАСТ
Доктор М. Анамул Хак Татьяна Левада, к.х.н.
Д
октор Мухаммад Анамул Хак, химик из Бангладеш, провел обширные исследования на базе лаборатории Университета Хоккайдо, направленные на получение гидрогеля с иерархической структурой. Цель исследований — получить гель, меняющий окраску при механическом воздействии. «Самым сложным было сделать так, чтобы бислои поверхностно-активного вещества в растворе прекурсора выровнялись и сформировали гель, — вспоминал профессор Хак, который в 2010 году, когда работы были начаты, учился в аспирантуре университета Хоккайдо. — Я пробовал около 20 различных гелей, наиболее подходящих для моих целей, и различные методы их получения». Хак был одержим идеей создать гель, который был бы схож по свойствам с биологическими мягкими тканями, поскольку его можно было бы использовать для получения искусственных кровеносных сосудов, а также сенсоров для изучения искусственных сухожилий. Прорыв в работе случился в тот момент, когда профессор Хак решил использовать деформацию сдвига, The Chemical Journal Июнь 2021
чтобы этим усилием был создан поток раствора-прекурсора, содержащего поверхностно-активное вещество додецилглицерил итаконат (ДГИ), акриламид и сшивающий агент перед полимеризацией. Сдвиговый поток позволил ламеллярным бислоям ДГИ самособраться и выстроиться в одном направлении, вместе с тем вертикальная периодическая сборка бислоев придала гелю структуру тонкого фотонного кристалла. В результате гель состоит примерно из четырех тысяч слоев. Хак оставался в университете Хоккайдо до получения кандидатской сте-
в Японии. Он продолжил работы по изучению функций разработанных им гелей, а также над оптимизацией синтеза.
Анизотропность Новый метод всасывания для формирования сдвигового потока оказался эффективным для создания однородной ламеллярной ДГИ-фазы. На создание анизотропного гидрогеля Хака вдохновило изучение гелей с двойной сетчатой структурой, которые разработала команда профессора Цзянь Пин Гонг. «Это было потрясающе, потому что гели, которые я знал. были очень сла-
Самым сложным было сделать так, чтобы бислои ПАВ в растворе прекурсора выровнялись и упаковались в слои, образовав гель. пени и далее вплоть до 2013 года, прежде чем вернулся в Университет Дакки, на позицию доцента. Затем в 2015 году Хак снова вернулся в университет Хоккайдо для выполнения исследований в рамках двухлетней стипендиальной программы в JSPS (Japan Society for the Promotion of Science — Японское общество содействия науке)
быми, как мармелад. Но ее гели были очень упругими и прочными», — сказал Хак. Следуя инструкциям профессора Гонг, Хак начал исследование гелей, которые проявляют структурное окрашивание, а также меняют цвет под воздействием механической нагрузки. Структурное окрашивание гелей происходит за счет 47
Утилизация PLAST/ПЛАСТ m cm
m sub- m Бислои ДГИ укладываются попеременно друг на друга с полимеризованным акриламидом между бислоями (с левого края). Под воздействием сильного деформирующего сдвигового потока перед полимеризацией бислои ДГИ выстраиваются в одном направлении, придавая гелю структуру фотонного кристалла. (Хак М.А. и др., Soft Matter, 15 июня 2012 г.) Гель обратимо деформируется под действием растягивающих нагрузок. Жесткие бислои ПДГИ выполняют роль обратимых лабильных связей для перераспределения нагрузки и повышения трещиностойкости. (Хак М.А. и др., Macromolecules, 31 октября 2011 г.).
loading unloading
Цвет геля можно обратимо настраивать с помощью сжимающих нагрузок, меняя его от красного до синего, в зависимости от интенсивности воздействия. (Хак М.А. и др., Advanced Materials, 13 сентября 2010 г.)
Compression
ε
48
com = 0
0.2
0.28
0.46
Июнь 2021 The Chemical Journal
Утилизация PLAST/ПЛАСТ
Гель ПДГИ / ПААм окрашивается всеми цветами видимого спектра под воздействием градиента деформации сжатия. (Haque M.A. et al., Chem. Mater., 11 ноября 2011 г.)
эффекта многослойной интерференции согласно условию дифракции Брэгга-Вульфа. В декабре 2017 года Хак снова вернулся в Университет Дакки, с тем чтобы на родине продолжать исследования гидрогелей в сотрудничестве с профессором Гонг. Гидрогель Хака, разработанный методом сдвигового потока, имеет дополнительные функции, которые относятся к структурному окрашиванию и некоторые другие. Во-первых, цвет геля можно обратимо настраивать путем сжатия или растяжения, меняя его от красного до синего, в зависимости от интенсивность силы, приложенной перпендикулярно к бислоям. То, как гель проявляет цвет, зависит от выравнивания бислоев, их количества, а также расстоянием между ними. Благодаря одноосной ориентации бислоев, гель обладает такими функциями, которые никогда не удавалось реализовать ранее, например, анизотропный модуль упругости и одномерное набухание, которые присущи также и биологическим тканям. «Анизотропный — это значит, что если вы измените направление укладки слоев, то гель меняет свои свойства, — объяснил Хак, показывая гель. — Если вы посмотрите на поверхность геля под углом 90°, вы увидите. что он оранжевый или красный. Но если вы уменьшите угол наблюдения примерно до 50°, он становится синим ». Одномерное набухание бислоя важно для того, чтобы он по своим свойствам приблизился к биологическим тканям. «Бислой может набухать в вертикальном направлении, но не в горизонтальThe Chemical Journal Июнь 2021
ном, — сообщил Хак. — Одномер- «Медленное восстановление на праное набухание является также важным ктике может стать проблемой, однасвойством для тех материалов, кото- ко я значительно улучшил первый этап рые только будут созданы. В области немедленного восстановления после материаловедения и механики этот тип разгрузки с помощью добавления треполимерных систем можно рекомен- тьего полимера в состав геля. Более того, один из членов нашей довать для моделирования и проектирования функциональных материалов команды показал, что процесс восстановления и регулирования цветового различного назначения». ответа может быть значительно сокраОбратимые изменения щен до нескольких миллисекунд за счет гидролиза ПААм-участков сетчатой Кроме того, полученный гель характери- структуры геля». зуется обратимостью свойств под воздействием деформации сжатия или растяже- Увеличение прочности ния. Большинство известных гидрогелей и размера этим свойством не обладают. Гель Хака состоит из жесткого, ги- Несмотря на то, что гель обладает жиздрофобного полимеризованного ДГИ ненно необходимым обратимым свой(ПДГИ) и мягкого полиакриламида ством, он, однако, не такой прочный, (ПААм) и имеет типичную двойную как другие гели, разработанные в этой же лаборатории. пространственную сетчатую структуру. Хак считает, что анизотропный гель Бислои выдерживают высокие сжимающие и растягивающие нагрузки должен быть прочнее, прежде чем можза счет диссоциации упорядоченных но будет говорить о его практическом применении. областей гидрофобного ПДГИ. Ученый-химик также хочет разраМолекулы восстанавливаются в ассоциированное состояние после снятия на- ботать метод производства гелей гогрузки. Таким образом, жесткие бислои раздо большего размера, чем ныпредставляют из себя обратимые ла- нешний — несколько сантиметров бильные связи для рассеивания нагрузки в ширину и в длину, и в один миллиметр толщиной. и повышения трещиностойкости. «Даже если молекулы диссоциируют при деформации, они затем возвраща- Применение ются на свои прежние места после сняХак назвал возможные области прития нарузки», — сказал Хак. Восстановление проходит в два эта- менения геля, которые включают испа. Примерно 80 % связей восстанавли- пользование его для создания искусстваются быстро после снятия нагрузки, венных кровеносных сосудов, а также а затем следует этап медленного восста- применение его в качестве цветового новления оставшихся связей, что зани- датчика для измерения локальной силы в сухожилиях или мышцах. мает около 15 минут. 49