Инженеры Университета Вирджинии создали полимерную конструкцию, которая устраняет давний компромисс материаловедения — необходимость выбирать между жесткостью и растяжимостью. Новая структура, напоминающая ершик для бутылок, обеспечивает полимерам способность растягиваться в 40 раз без потери прочности. Это открывает путь к созданию гибкой электроники, медицинских имплантатов и мягких роботов.
С момента изобретения вулканизированной резины Чарльзом Гудьиром в 1839 году инженеры-полимерщики сталкиваются с фундаментальной проблемой: повышение жесткости материала неизбежно приводит к снижению его эластичности. Это ограничение сдерживало развитие инновационных конструкций, требующих сочетания высокой прочности и гибкости, таких как имплантаты для сердца или гибкая электроника.
Традиционные полимерные сети состоят из линейных цепей, соединенных химическими поперечными связями. Увеличение числа поперечных связей повышает жесткость материала, но снижает его эластичность. Ученые пошли другим путем, модифицировав сами полимерные цепи.
Вместо линейных цепочек их структура напоминает ершик для чистки бутылок, с гибкими боковыми цепями, отходящими от центрального стержня. Этот стержень обладает уникальной способностью складываться, подобно гармошке, которая сжимается или расширяется под нагрузкой. При растяжении скрытые участки внутри полимера раскручиваются, позволяя ему растягиваться в 40 раз без ущерба для прочности. В свою очередь, жесткость контролируется боковыми цепями и не зависит от растяжимости материала.
Важная особенность этой структуры — универсальность. Меняя состав боковых цепей, можно создавать полимеры с разными свойствами. Например, использовать боковые цепи, сохраняющие гибкость при низких температурах. Или интегрировать биосовместимые полимеры для создания гелей, имитирующих свойства живых тканей.
Сшитые полимеры применяются почти везде: от шин до бытовой техники. Ученые предполагают, что их новый материал можно использовать для изготовления медицинских устройств, протезов, мягких роботов и носимой электроники. Кроме того, конструкцию можно печатать на 3D-принтере, добавив в нее специальные частицы, чтобы она проводила электричество, реагировала на свет или обладала магнитными свойствами.
