Ook al bestaat het voor 80 procent uit water, het materiaal blijft zelfs onder honderden kilo’s gewicht intact.
Zachte, geleiachtige materialen die voornamelijk uit water bestaan, zijn vaak niet erg sterk. “De meeste zijn vrij broos,” zegt onderzoeker Oren Scherman in een interview met Scientias.nl. Maar in een nieuwe studie bewijst hij met zijn team dat dit helemaal geen vast gegeven is. Zo ontwikkelden zij een ijzersterk ‘blubberig’ materiaal waar zelfs een olifant op kan staan. “Ons gefabriceerd materiaal reikt ver boven onze verwachtingen,” aldus Scherman.
Hydrogel
In de nieuwe studie ontwikkelden de onderzoekers een hydrogel; een materiaal dat vaak voor meer dan 80 procent uit water bestaat. Rekbare en rubberachtige hydrogels hebben een tal van mooie eigenschappen waardoor materiaalwetenschappers er zeer over te spreken zijn. Denk aan hun taaiheid en een zelfherstellend vermogen. Hoge drukkrachten kunnen hydrogels dan weer net niet hebben. Wanneer er veel gewicht op komt te staan, worden dergelijke materialen gemakkelijk geplet.
Super jelly
In de nieuwe studie zijn de onderzoekers er echter in geslaagd om een geleiachtige, ‘blubberige’ hydrogel ook die begeerde eigenschap te geven. En deze ‘super jelly’ zoals het materiaal is genoemd, kan verrassend genoeg heel wat hebben.
Hoewel het zacht en ‘blubberig’ aanvoelt, gedraagt het zich als ultrahard, onbreekbaar glas wanneer het wordt samengeperst. “Bij een watergehalte van 80 procent zou je denken dat het als een waterballon uit elkaar zou knappen,” zegt Scherman. “Maar dat is niet zo: het blijft intact en is bestand tegen enorme drukkrachten; eigenschappen die op het eerste gezicht misschien op gespannen voet met elkaar lijken te staan.”
Olifant
De super jelly kan zelfs het gewicht van een olifant hebben, zo beweren de onderzoekers. Hoewel ze tijdens hun experimenten even geen olifant voor handen hadden, besloten ze een paar keer met een 1200 kilo zware auto over de hydrogel heen te rijden (zie ook het filmpje hieronder). De super jelly gaf geen krimp. Na toetakeling, herstelde het volledig naar zijn oorspronkelijke vorm. “Dit is de eerste keer dat we zo’n sterk materiaal hebben gemaakt dat niet uit elkaar spat na compressie,” zegt Scherman.
Bekijk in deze video hoe de super jelly wordt overreden door een auto.
Hoe dan?
Hoe de onderzoekers dit voor elkaar kregen? “De sleutel tot het maken van deze super jelly is simpel,” begint de onderzoeker. “Langzaam betekent sterk. We vertragen eerst drastisch de moleculaire interacties in het materiaal, waardoor we voor het eerst toegang hebben tot een nieuwe soort toestand in een hydrogel.” De onderzoekers gebruikten zogenoemde ‘crosslinkers’; een verbinding die twee polymeerketens aan elkaar koppelt. In dit geval dienden tonvormige moleculen, cucurbiturilen genaamd, als crosslinkers. Deze fungeren eigenlijk als moleculaire handboeien, waardoor de twee andere moleculen netjes op hun plek blijven zitten. Dit zorgt ervoor dat het hele polymeernetwerk nauw verbonden blijft. En daardoor is het bestand tegen compressie.
Belangrijk
Het ontwikkelen van dergelijke sterke materialen is overigens niet alleen voor de leuk. Het dient volgens Scherman ook een bepaald nut. “Weefsels in ons lichaam lijken ook erg op ‘gelei’,” vertelt hij. “Wij bestaan tevens voornamelijk uit water. Tegelijkertijd zijn sommige van onze weefsels erg sterk. Gewrichtskraakbeen kan bijvoorbeeld hoge drukkrachten weerstaan. De ontwikkeling van supersterke geleiachtige materialen is dan ook van cruciaal belang voor het namaken van dergelijke weefsels. Mogelijk kan het op den duur zelfs kraakbeen vervangen.”
Andere toepassingen
Hoewel het natuurlijk fascinerend is dat in de toekomst een soort ‘super jelly’ de taak van kraakbeen zou kunnen overnemen, heeft het materiaal volgens de onderzoeker ook nog andere toepassingen. “We stellen ons zo voor dat de super jelly nuttig kan zijn in arm- of beenprotheses,” zegt hij. “Mogelijk kan het daarnaast gebruikt worden in de zachte robotica of de bio-elektronica.”
De super jelly is een grote stap voorwaarts. “Mensen hebben jarenlang rubberachtige hydrogels gemaakt, maar dat is slechts de helft van het plaatje,” zegt Scherman. “We hebben de traditionele polymeerfysica opnieuw bekeken en een nieuwe klasse materialen gecreëerd die het hele scala aan materiaaleigenschappen omvat – van rubberachtig tot glasachtig – waardoor het plaatje nu compleet is. De studie zal dan ook een nieuw paradigma creëren op het gebied van polymeerwetenschap, materiaalwetenschap en biomedische technologie.”
