Японські вчені створили гідрогель з надміцним підводним клеєм

На березі північної Японії хвилі б'ються об гумову качку, яка міцно приклеєна до скелі. Завдяки новому надлипкому гідрогелю, що вкриває її основу, іграшка не зрушить з місця навіть під натиском морської стихії.

Гідрогелі — це м'які желеподібні матеріали, які широко використовуються в різних галузях. У медицині вони можуть перев'язувати рани та доставляти ліки. У сільському господарстві допомагають ґрунту утримувати більше води. Однак створення липких речовин є складним завданням, а під водою це стає ще важчим. Звичайні клеї погано тримаються у вологому та солоному морському середовищі.

Природа, однак, має рішення цієї проблеми. Такі створіння, як морські жолуді та мідії, природно виробляють білки, які дозволяють їм прикріплюватися до вологих поверхонь. Натхненні цими адгезивними здібностями, дослідники проаналізували каталоги білкових структур цих тварин, щоб наслідувати їхні найлипкіші особливості. Потім науковці включили ці білкові структури в гідрогелі та протестували їх.

Після проведення кількох експериментів команда передала результати системі машинного навчання, щоб та могла спроектувати гідрогель з ще сильнішим клеєм. Система запропонувала три суперадгезивні конструкції, що складаються з різних білкових структур, які дослідники описали цього тижня в журналі Nature.

Джонатан Барнс, науковець-полімеролог з Вашингтонського університету в Сент-Луїсі, який не брав участі в дослідженні, був вражений абсолютною міцністю покращених гідрогелів. В одному експерименті дослідники використали один з гелів для склеювання пар пластин, виготовлених з трьох різних матеріалів — кераміки, скла та титану — в резервуарі з солоною водою. Кожна склеєна пара мала підвішений знизу вантаж масою один кілограм. Гель тримався понад рік. «Триматися рік — це неймовірно», каже Барнс.

Усі три гідрогелі, розроблені штучним інтелектом, показали подібну міцність у штучній морській воді. Але один з них перевершив інші при тестуванні в деіонізованій воді, яка позбавлена заряду і не зустрічається в природі. Різниця в міцності показує, що деякі адгезивні матеріали можуть бути краще пристосовані для конкретних середовищ, ніж інші.

«Ми зараз працюємо над налаштуванням цієї різниці та тестуємо їх в різних умовах», каже співавтор дослідження Цзянь Пін Гун, науковець-полімеролог з Університету Хоккайдо в Японії. «Ми також хочемо покращити та знайти інші формули, які можуть працювати на металі, наприклад».

Після синтезу ультралипких гелів науковці взяли два з них у поле для перевірки їхніх можливостей у реальному світі. Дослідники використали один гель для герметизації отвору в основі триметрової труби, яка була наповнена водопровідною водою для імітації витоку води під високим тиском. А інший використали для прикріплення гумової качки до скелі, щоб побачити, наскільки добре технологія працює в морській воді.

Одного дня ці гелі можуть допомогти дослідникам розробити штучну шкіру або ремонтувати підводні та морські споруди. Це відкриває широкі перспективи для застосування в різних галузях, від медицини до морської інженерії.

«Дослідження вказує на більш міцні, швидкі та надійні вологі адгезиви — для медичної герметизації, морської інфраструктури та аварійного ремонту», каже Сімінь Хе, науковець-матеріалознавець, який вивчає біологічно натхненні матеріали в Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі і не брав участі в роботі. «Керований даними підхід, який вони використовують, може скоротити шлях від ідеї до матеріалу в багатьох застосуваннях, які впливають на повсякденне життя».

Розробка цих гідрогелів демонструє потужність поєднання біоміметики та штучного інтелекту. Вивчаючи природні механізми прикріплення морських організмів, вчені змогли створити матеріали, які перевершують традиційні клеї в екстремальних умовах. Це особливо важливо для підводних застосувань, де звичайні адгезиви швидко втрачають свої властивості.

Експерименти показали, що нові гідрогелі можуть витримувати не лише статичні навантаження, але й динамічні впливи морських хвиль. Це робить їх перспективними для використання в морській інженерії, де потрібні надійні з'єднання в агресивному середовищі.

Крім того, здатність цих матеріалів працювати в різних типах води відкриває можливості для їх застосування не лише в морських умовах, але й у прісноводних середовищах. Це може бути корисно для ремонту водопровідних систем, дамб та інших гідротехнічних споруд.

Дослідження також підкреслює важливість міждисциплінарного підходу в сучасній науці. Поєднання біології, хімії, матеріалознавства та штучного інтелекту дозволило створити матеріал з унікальними властивостями, який був би неможливий без такої інтеграції знань.