Aalto- ja Bayreuthin yliopistossa on kehitetty  hydrogeeliä, joka yhdistää mekaanisen jäykkyyden, taipuisuuden ja itsekorjautuvuuden. Se voi olla yhtä vahvaa, joustavaa ja pehmeää kuin iho. Ja jos se vaurioituu, se korjaa itsensä lähes täysin vuorokaudessa.  Yksi sovellusalue voi olla pehmeä robotiikka.

Ihonkaltaisen geeelin tutkimushanketta johtivat akatemiatutkija Hang Zhang ja professori Olli Ikkala Aalto-yliopistosta sekä professori Josef Breu saksalaisesta Bayreuthin yliopistosta.

”Tulevaisuudessa meillä voi olla esimerkiksi robotteja, joilla on kestävä, itsestään paraneva iho, tai synteettisiä kudoksia, jotka korjaavat itse itsensä. Arkielämän sovelluksiin on vielä matkaa, mutta tutkimustulos voi uudistaa tapaa tehdä materiaalisuunnittelua”, professori Olli Ikkala sanoo.

Uudenlaisen geelin tutkimus on hänen mukaan esimerkki siitä, miten biologisten materiaalien ominaisuudet innoittavat meitä kehittämään vastaavia uusia toiminnallisuuksia synteettisiin materiaaleihin.

Hydrogeeli sisältää veteen liuenneita polymeerejä, ja se on normaalisti pehmeää ja kuohkeaa. Uudessa tutkimuksessaan tutkijat lisäsivät hydrogeeliin pinta-alaltaan erittäin suuria ja samalla superohuita nanolevyjä. Näin saatiin aikaan järjestäytynyt rakenne, jossa nanolevyjen väleissä on valtava määrä toisiinsa kietoutuvia polymeerejä. Tämä paitsi paransi hydrogeelin mekaanisia ominaisuuksia, sai myös aikaan materiaalin itsekorjautumisen.

”Jäykkiä, vahvoja ja itsestään korjaantuvia hydrogeelejä on hyvin vaikea valmistaa. Olemme löytäneet mekanismin, jonka avulla tyypillisesti pehmeitä hydrogeelejä pystyy vahvistamaan. Tämä voi mullistaa uusien, luonnosta inspiraationsa saavien materiaalien kehittämisen”, arvioi professori Josef Breu saksalaisesta Bayreuthin yliopistosta.

Hydrogeelejä voidaan hyödyntää esimerkiksi lääkkeiden annostelussa, haavojen parantamisessa, pehmeän robotiikan antureissa ja keinotekoisessa ihossa. ”Yhden millimetrin sisällä on 10 000 nanolevytasoa, mikä tekee materiaalista jäykkää ja venymätöntä kuin ihmisen iho”, Aalto-yliopiston akatemiatutkija Zhang sanoo.

Keinoiho on nykyisin joko hyvin pehmeää ja itsekorjautuvaa tai hyvin jäykkää, jolloin se ei osaa korjata itse itseään. “Meidän materiaalimme ratkaisee ongelman yhdistämällä kestävyyden riittävään molekyylien liikkuvuuteen, mikä taas mahdollistaa itsekorjautumisen”, Zhang sanoo.

Gydrigeelin tutkimus alkoi laboratoriossa noin kolme vuotta sitten, ja prosessi on yhtä yksinkertaista kuin leipominen. Tutkijatohtori Chen Liang sekoitti keskenään monomeerejä sisältävää jauhetta ja vettä, jossa on nanolevyjä. Seos laitettiin kynsien geelilakkauksessakin käytettävän UV-lampun alle.

Nanolevyt on suunnitellut ja valmistanut professori Josef Breu tutkijoineen. ”Keskeistä on, että nämä savenkaltaiset nanolevyt turpoavat veden vaikutuksesta erittäin tasaisesti.  Nanoluokan ilmiötä voisi havainnollistaa vertaamalla sitä tulostuspapereihin, jotka asettuisivat spontaanisti senttimetrin etäisyydelle toisistaan. Polymeeriketjut puristuvat levyjen väleihin ja ketjujen kokema kitka tekee geelistä jäykän”, Breu kuvailee.

Myös materiaalin korjaantumisen salaisuus piilee nanolevyjen järjestäytymisessä sekä niiden väliin kietoutuvissa polymeereissä.

”Ohuet polymeerit liikkuvat toistensa ympärillä kuin kuin mikroskooppiset toisiinsa sotkeutuneet villalankakerät. Näitä polymeerejä on lukemattomia hyvin pienessä tilassa nanolevyjen välissä”, Zhang sanoo. Kun polymeerit ovat kokonaan kietoutuneita toisiinsa, niitä ei voi enää erottaa toisistaan. Ja kun polymeerit katkaistaan, se on periaatteessa sama kuin leikkaisi nämä langat veitsellä.

“Kun asetamme rikotut pinnat takaisin yhteen, polymeerit ovat hyvin aktiivisia ja liikkuvia molekyylitasolla. Ne alkavat kietoutua uudelleen toisiinsa, ja materiaali korjaantuu itsestään”, Zhang selittää.

Materiaali on neljän tunnin kuluttua korjannut itsensä 80 tai 90 prosenttisesti, ja vuorokauden kuluttua se on tyypillisesti korjaantunut jo kokonaan.

Lisää: Tutkijoiden tiedeartikkeli  7. maaliskuuta Nature Materials -lehdessä (LINKKI).

Kuva: Taiteellinen näkemys hydrogeeleistä, jotka asettuvat Möbiuksen nauhan muotoon korjatessaan itse itsensä Margot Lepetit Aalto-yliopisto