นักวิจัยได้พัฒนาวัสดุคล้ายเยลลี่ซึ่งสามารถทนต่อแรงเทียบเท่ากับช้างที่ยืนอยู่บนมัน และฟื้นคืนรูปร่างเดิมอย่างสมบูรณ์ ถึงแม้ว่ามันจะเป็นน้ำ 80%
ที่ปริมาณน้ำ 80% คุณคิดว่ามันจะแตกออกเป็นชิ้นๆ เหมือนบอลลูนน้ำ แต่ไม่: มันจะคงสภาพเดิมและทนต่อแรงอัดมหาศาล
Oren Scherman
วัสดุที่อ่อนนุ่มแต่แข็งแกร่งซึ่งพัฒนาขึ้นโดยทีมงานของมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ มีลักษณะและให้ความรู้สึกเหมือนเยลลี่ที่นิ่มนวล แต่จะทำหน้าที่เหมือนแก้วที่แข็งพิเศษและกันแตกเมื่อถูกบีบอัด แม้ว่าจะมีปริมาณน้ำสูงก็ตาม
ส่วนที่ไม่เป็นน้ำของวัสดุเป็นโครงข่ายของโพลีเมอร์ที่ยึดเข้าด้วยกันโดยปฏิกิริยาเปิด/ปิดแบบย้อนกลับได้ ซึ่งควบคุมคุณสมบัติทางกลของวัสดุ นี่เป็นครั้งแรกที่มีการรวมการต้านทานแรงกดที่สำคัญดังกล่าวไว้ในวัสดุที่อ่อนนุ่ม
‘ซุปเปอร์เยลลี่’ สามารถใช้กับงานที่มีศักยภาพหลากหลาย รวมทั้งหุ่นยนต์แบบนิ่ม อิเล็กทรอนิกส์ชีวภาพ หรือแม้แต่ใช้แทนกระดูกอ่อนสำหรับการใช้งานทางชีวการแพทย์ รายงาน ผลการวิจัยใน วารสาร Nature Materials
ลักษณะการทำงานของวัสดุ ไม่ว่าจะนิ่มหรือแข็ง เปราะหรือแข็งแรง ขึ้นอยู่กับโครงสร้างโมเลกุลของวัสดุ ไฮโดรเจลที่มีลักษณะยืดหยุ่นคล้ายยางมีคุณสมบัติที่น่าสนใจมากมายที่ทำให้เป็นหัวข้อการวิจัยยอดนิยม เช่น ความเหนียวและความสามารถในการซ่อมแซมตัวเอง แต่การสร้างไฮโดรเจลที่ทนต่อการกดทับโดยไม่ถูกกดทับถือเป็นเรื่องท้าทาย
ดร. Zehuan Huang จาก Yusuf Hamied Department of Chemistry ผู้เขียนคนแรกของการศึกษากล่าวว่า “ในการผลิตวัสดุที่มีคุณสมบัติเชิงกลตามที่เราต้องการ เราใช้สารเชื่อมขวาง โดยที่โมเลกุลสองโมเลกุลเชื่อมต่อกันผ่านพันธะเคมี “เราใช้ตัวเชื่อมขวางแบบย้อนกลับได้เพื่อสร้างไฮโดรเจลที่นุ่มและยืดหยุ่น แต่การสร้างไฮโดรเจลที่แข็งและบีบอัดได้นั้นยาก และการออกแบบวัสดุที่มีคุณสมบัติเหล่านี้เป็นสิ่งที่ตรงกันข้ามโดยสิ้นเชิง”
การทำงานในห้องปฏิบัติการของ ศาสตราจารย์ Oren A. Schermanซึ่งเป็นผู้นำการวิจัย ทีมวิจัยได้ใช้โมเลกุลรูปทรงกระบอกที่เรียกว่า cucurbiturils เพื่อสร้างไฮโดรเจลที่สามารถทนต่อแรงกดทับได้ Cucurbituril เป็นโมเลกุลเชื่อมขวางที่มีโมเลกุลแขกสองตัวอยู่ในโพรง – เหมือนกุญแจมือโมเลกุล นักวิจัยได้ออกแบบโมเลกุลของแขกที่ต้องการอยู่ภายในโพรงนานกว่าปกติ ซึ่งช่วยให้เครือข่ายโพลีเมอร์เชื่อมโยงกันอย่างแน่นหนา เพื่อให้สามารถทนต่อการบีบอัดได้
“ที่ปริมาณน้ำ 80% คุณคิดว่ามันจะแตกออกเป็นชิ้นๆ เหมือนบอลลูนน้ำ แต่มันไม่: มันจะคงสภาพเดิมและทนต่อแรงอัดมหาศาล” Scherman ผู้อำนวยการ ห้องปฏิบัติการ Melville Laboratory สำหรับการสังเคราะห์พอลิเมอ ร์ของมหาวิทยาลัย กล่าว “คุณสมบัติของไฮโดรเจลนั้นดูจะขัดแย้งกันเอง”
“วิธีที่ไฮโดรเจลสามารถทนต่อแรงกดทับนั้นน่าประหลาดใจ มันไม่เหมือนกับสิ่งที่เราเคยเห็นในไฮโดรเจล” ผู้เขียนร่วม Dr Jade McCuneจากภาควิชาเคมีกล่าว “เรายังพบว่ากำลังรับแรงอัดสามารถควบคุมได้ง่ายโดยเพียงแค่เปลี่ยนโครงสร้างทางเคมีของโมเลกุลแขกภายในกุญแจมือ”
ในการทำไฮโดรเจลที่เหมือนแก้ว ทีมงานได้เลือกโมเลกุลแขกเฉพาะสำหรับกุญแจมือ การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างโมเลกุลของโมเลกุลแขกภายในกุญแจมือทำให้ไดนามิกของวัสดุ ‘ช้าลง’ ได้อย่างมาก ด้วยประสิทธิภาพทางกลของไฮโดรเจลขั้นสุดท้ายที่มีตั้งแต่สถานะคล้ายยางจนถึงคล้ายแก้ว
“ผู้คนใช้เวลาหลายปีในการผลิตไฮโดรเจลคล้ายยาง แต่นั่นเป็นเพียงครึ่งเดียวเท่านั้น” เชอร์แมนกล่าว “เราได้ทบทวนฟิสิกส์พอลิเมอร์แบบดั้งเดิมและสร้างวัสดุประเภทใหม่ที่ครอบคลุมคุณสมบัติของวัสดุทั้งหมดตั้งแต่ยางเหมือนไปจนถึงคล้ายแก้ว ทำให้ภาพสมบูรณ์”
นักวิจัยใช้วัสดุนี้เพื่อสร้างเซ็นเซอร์ความดันไฮโดรเจลสำหรับการตรวจสอบการเคลื่อนไหวของมนุษย์แบบเรียลไทม์ รวมถึงการยืน การเดิน และการกระโดด
“เท่าที่ทราบ นี่เป็นครั้งแรกที่มีการสร้างไฮโดรเจลคล้ายแก้วขึ้น เราไม่ได้แค่เขียนสิ่งใหม่ๆ ลงในหนังสือเรียนเท่านั้น ซึ่งน่าตื่นเต้นมาก แต่เรากำลังเปิดบทใหม่เกี่ยวกับวัสดุที่อ่อนนุ่มที่มีประสิทธิภาพสูง” Huang กล่าว
นักวิจัยจากห้องทดลองของ Scherman กำลังทำงานเพื่อพัฒนาวัสดุคล้ายแก้วเหล่านี้ไปสู่การใช้งานด้านชีวการแพทย์และชีวอิเล็กทรอนิกส์ โดยความร่วมมือกับผู้เชี่ยวชาญจากวิศวกรรมศาสตร์และวัสดุศาสตร์ การวิจัยได้รับทุนสนับสนุนบางส่วนจาก Leverhulme Trust และ Marie Skłodowska-Curie Fellowship Oren Scherman เป็นเพื่อนของ Jesus College
อ้างอิง:
Zehuan Huang et al. ‘ เครือข่ายพอลิเมอร์ซุปเปอร์โมเลกุลคล้ายแก้วอัดแรงสูง ‘ วัสดุธรรมชาติ (2021). DOI: 10.1038/s41563-021-01124-x
