СТИМУЛ-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ГИДРОГЕЛИ С
КОНТРОЛИРУЕМОЙ АНИЗОТРОПИЕЙ НА ОСНОВЕ ДВОЙНЫХ
ПОЛИМЕРНЫХ СЕТОК
Бижецкий А.С1., Квятковский А.Л.2
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва, ул. Колмогорова
1 ст. 2
2
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва, ул. Колмогорова
1 ст. 2
E-mail: bizhetskiy@polly.phys.msu.ru
1
УДК: 537.226.5
Одним из новых и быстро развивающихся направлений является мягкая
робототехника - область робототехники, которое специализируется на создании
роботов из мягких материалов, по своей структуре и свойствам подобным тканям
живых организмов. Основной проблемой при создании материалов для мягкой
робототехники является их малая износостойкость, а также сложный механизм
манипуляции. Потенциальным решением подобной проблемы может являться
использование самозаживляющихся стимул-чувствительных гидрогелей на основе
двойных сеток.
Гидрогели из двойных сеток - материалы, состоящие из двух топологически
переплетенных полимерных сеток: слабо и сильно сшитых. Главной особенностью
этих материалов является повышенный модуль упругости и износостойкость. При
растяжении или сжатии одна из сеток - “жертвенная” разрушается, рассеивая
энергию, необходимую для восстановления структуры после воздействия, в то
время, как другая сетка играет роль каркаса, удерживающего форму материала. В
данной работе в качестве сильно сшитой сетки выступает гидрофобно
модифицированный полиакриламид, сшиваемый гидрофобными доменами. В роли
слабо сшитой сетки выступает гидропропил гуар, сшитый ионами бората.
Варьируя состав гидрогелей возможно добиться очень тонкой настройки
необходимых параметров таких, как прозрачность, гибкость и чувствительность к
внешнему воздействию. Одним из наиболее примечательных свойств данных
полимерных материалов является их биосовместимость, что открывает
возможность применения мягких роботов в разных областях медицины.
На
данный
момент
существует
множество
способов
придания
функциональности подобным материалам [1]. В данной работе рассматривается
вариант с внедрением цилиндрических парамагнитных нанопроволок из сплава
железо-никель и чистого никеля разных размеров. Нанопроволоки - одномерный
материал, длина которого значительно превосходит остальные измерения, которые,
в свою очередь, не превышают нескольких десятков нанометров. Из-за такой
структуры с высоким отношением сторон становится возможным придать
анизотропные свойства гидрогелевой матрице, наполнителем которой они
являются. Таким образом, в отсутствии внешнего магнитного поля нанопроволоки
становятся разупорядоченными - образец непрозрачен и механически изотропен.
Однако, при появлении внешнего воздействия нанопроволоки выстраиваются по
нему, укрепляя образец вдоль поля, и увеличивают его прозрачность.
В виду этого, целью данной работы является получение магнитного
композитного материала, состоящего из гидрогелевой основы с внедренными
магнитными нанопроволоками, а также анализ магнитных и механических свойств
полученного материала.
В результате проделанной работы было показано, что при увеличении
магнитного поля, в образцах с нанопроволоками из сплава железо-никель
значительно увеличивается диапазон вязкоупругости и возрастает коэффициент
упругости, что указывает на увеличение количества зацеплений в его объеме. А при
увеличении магнитного поля, в образцах с нанопроволоками из никеля диапазон
вязкоупругости увеличивается незначительно, также как и коэффициент упругости.
Что может быть связано с соотношением линейных размеров наполнителя и сетки.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 21-73-10197. Авторы
благодарят лабораторию “Физики перспективных материалов и наноструктур”
МПГУ за синтез магнитных нанопроволок и проведение измерений на магнитном
ротационном реометре.
Ссылки
[1] Park C. S. et al. Hydrogels for bioinspired soft robots //Progress in Polymer Science. –
2024. – С. 101791.