Вчені створили мікрогідрогелі, що згинаються у 100 разів швидше

Науковці представили мікроскопічні гідрогелеві структури, які згинаються у 100 разів швидше за раніше відомі аналоги міліметрового масштабу. Ключова відмінність полягає в механізмі роботи: нові актуатори функціонують завдяки внутрішній міграції іонів через нанопори, а не через поверхневі градієнти pH чи осмотичний тиск.

У дистильованій воді, де домінують іони водню, мікровійки згинаються до катода за 0,2 секунди. Іони водню від карбоксильних груп мігрують під дією електричного поля і накопичуються в певній ділянці гідрогелевої мережі, викликаючи локальне стиснення. Гідрогель на основі акрилової кислоти та акриламіду є чутливим до pH і стискається в кислому середовищі.

У фізіологічному розчині з концентрацією хлориду натрію 0,15380 моль на літр мікровійки згинаються в протилежному напрямку — до анода за 0,3 секунди. Іони натрію мігрують до катода і накопичуються в гідрогелевій мережі, захоплюючи молекули води, що спричиняє набухання відповідної ділянки.

При проміжній концентрації 0,00769 моль на літр спостерігається конкурентний ефект іонів водню та натрію. Спочатку структура згинається до катода, а потім змінює напрямок до анода. Це пояснюється вищою рухливістю іонів водню порівняно з іонами натрію.

Дослідники виявили, що збільшення концентрації акрилової кислоти в гідрогелі не призводить до більшої амплітуди згинання. Тестування зразків з вмістом акрилової кислоти від 15 до 60 відсоткових часток показало зменшення кута згинання при вищих концентраціях.

Швидка динаміка згинання досягається завдяки двом чинникам. По-перше, розширена ефективна площа подвійного електричного шару посилює транспорт іонів. По-друге, швидка міграція іонів водню та натрію на мікрометровому масштабі. Під електричним полем 10 000 вольт на метр іони водню долають відстань 10 мікрометрів за 2,8 мілісекунди, тоді як іонам натрію потрібно 16,7 мілісекунди.