制造类似果冻的超硬凝胶

Azom与Oren Scherman教授讨论了他的研究，该研究与一个新型水凝胶有关，该水凝胶能够在高压下实现极端的可压缩性。

请您介绍自己，向我们介绍您在材料科学中的背景，以及如何开始研究材料特性和水凝胶？亚博老虎机网登录

当我成立自己的研究小组时，我有兴趣调查水性介质中的界面自组装以创建功能材料。亚博网站下载这导致了针对2010年甲壳虫尿（CBS）介导的自组装水凝胶的开创性报告。这段时间以来，我的小组为基本研究所基于的各种应用制作了几代水凝胶。

什么是水凝胶，它们最常见的应用是什么？

水凝胶是一种能够在其永久性或瞬态网络中持有大量水的广泛材料。亚博网站下载水凝胶的第一个例子（称为“亲水性凝胶”，自然，1960，185，117）是用于生物学用途的，例如隐形眼镜。由于其高水分含量，水凝胶已被广泛用于组织工程，药物输送，可穿戴生物电子药以及软机器人技术。

水凝胶通常是柔软的或类似果冻的；您能解释一下它们的化学结构的结果吗？

聚合物水凝胶通常是柔软的，因为它们由聚合物（分子的长链）组成，它们在水中肿胀和缠结在一起形成凝胶。以前的大多数工作都集中在使用共价交联或快速缔合性非共价交联来制造水凝胶。通过减慢交联崩溃所需的时间，我们改善了凝胶的机械性能。

是什么促使您试图扭转这种情况并创建能够变得坚硬/可压缩的水凝胶？

尽管在过去的二十年中，在柔软和可拉伸水凝胶的发展方面取得了重大进步，但仍然存在的重大挑战是在高压负载下实现极端的可压缩性。因此，我们想解决此问题并创建一种新型的硬凝胶和可压缩水凝胶。

我的小组多年来一直有兴趣制造具有新兴属性的凝胶。我们的方法在某种程度上是独一无二的，因为我们旨在理解和控制分子尺度的化学反应。通过以这种基本方式理解材料，我们开始突破材料行为方式的界限。亚博网站下载

您能解释一下开发“超级果冻”的过程？

该发展始于10年前，当时我们报告了可以使用这些“类似桶状”的CB分子一起将其结合在一起的第一个水凝胶。自从这些第一代凝胶以来，我们已经迈向了凝胶，这些凝胶具有生物相容性且柔软，可用于治疗胶质母细胞瘤脑癌和直接将治疗剂递送到大脑中。我们还一直在将这些水凝胶开发到高性能材料应用方面。亚博网站下载

图片来源：剑桥大学

对材料的需求不断增加，要以违反直觉的方式行事并执行多种功能。亚博网站下载当我们试图突破材料特性和功能的边界时，我们开发了这些凝胶。

尽管您的新材料由80％的水组成，但它仍然能够在巨大的压力下完全恢复到原始形状。哪些属性使它能够执行此操作？该新材料的其他机械性能是什么？

实现极端可压缩性和快速自我恢复的关键是引入慢速性非共价交叉链接，这些交联将整个网络跨短期尺度融合在一起。这种特征使我们能够在93％的菌株下以前所未有的抗压强度在93％的菌株下，在2分钟内以93％的应变，在93％的菌株下，在93％的菌株下使用前所未有的抗压强度。这为超分子软材料区域设定了新的基准。亚博网站下载

据说“果冻”可以承受汽车的压力或大象的重量。您能解释一下阻止水凝胶在这种巨大压力下破裂的原因吗？

这是我们设计和嵌入网络中的交联；它们崩溃或分离的速度比其他人慢得多。他们还能够充当牺牲键以消散施加的能量，例如压缩，这反过来避免了水凝胶在压力下破裂。

在压力下，该材料已与防碎玻璃进行了比较 - 为什么？它是否与此材料共享任何属性？

我们在极端压力下测试了水凝胶，以查看它们可以承受的东西。该值高达1.0 GPA，等于没有任何水的传统散装眼镜。即使在如此高的压力下，也没有观察到断裂。我们的玻璃状水凝胶在室温下与玻璃状聚合物具有非常相似的流变行为。这是水凝胶材料第一次进入该状态。亚博网站下载

您的新材料可能会彻底改变软机器人行业，并在许多其他行业中找到使用。您个人认为哪些部门将从其各种属性中受益？

我们设想，我们的类似玻璃的水凝胶对于旨在在具有高压缩负荷的极端工作环境中运行的软机器人可能很有用。我们还有兴趣探索材料作为软骨替代品和一系列生物电子应用。亚博网站下载

图片来源：剑桥大学

这项新研究最令人兴奋的方面是什么？

这项新研究中最令人兴奋的部分是，我们已经获得了如何控制各种频率的水凝胶的机械性能的基本见解。这将使我们能够设计和制造下一代可以产生社会影响的材料。亚博网站下载

该主题的下一步是什么？您是否希望对材料特性，尤其是水凝胶进行进一步的研究？

现在，我们对将材料应用于生物电子和生物医学应用非常感兴趣。亚博网站下载我们正在与同事合作，进一步探索类似玻璃的水凝胶材料的新潜力。亚博网站下载

读者在哪里可以找到更多信息？

链接到纸：https://www.nature.com/yabo214articles/s41563-021-01124-x

链接到YouTube：https://www.youtube.com/watch?v=msyi9pwutge

链接到梅尔维尔实验室：https://www.ch.cam.ac.uk/group/melville/melville-laboratory-polymer-synthesis

链接到Scherman Group：https://www.ch.cam.ac.uk/group/scherman

关于Oren Scherman教授

Oren Scherman是剑桥大学超分子和聚合物化学的教授。他还是Yusuf Hamied化学系中梅尔维尔聚合物合成实验室的主任。Oren started his independent academic career at the University of Cambridge in 2006 and was promoted to reader in 2012, appointed the Director of the Melville in 2013 and full professor in 2015. Prior to Oren’s appointment at Cambridge, he was a postdoc at the Eindhoven University of Technology (TU/e) after his PhD at the California Institute of Technology (Caltech). He first began researching polymers during his Ph.D. which led to a postdoc where his interest in self-assembled supramolecular polymers and assembled materials was heightened.