Ученые впервые заглянули внутрь «умных» гелей под нагрузкой

Японские исследователи разработали новый метод, позволяющий в реальном времени наблюдать за изменениями внутренней структуры и электропроводности «умных» полимерных гелей под воздействием температуры и механического напряжения.

Ученые из Токийского университета науки и их коллеги сосредоточились на изучении поли-N-изопропилакриламида (PNIPAM). Этот гель меняет свои свойства при температуре около 32°C, что близко к температуре человеческого тела, что делает его перспективным для биомедицины, например, для доставки лекарств.

Схема рео-импедансного устройства, которое одновременно прилагает сдвиговое напряжение и измеряет меняющиеся электрические свойства геля. Автор: доктор Исао Шитанда.

Для экспериментов была создана специальная установка, объединяющая реометр (измеряющий механические свойства) и потенциостат (измеряющий движение зарядов). Гель нагревали и охлаждали в диапазоне 20–50°C, одновременно прикладывая к нему контролируемое сдвиговое напряжение.

Исследование показало, что ниже критической температуры гель представляет собой гидратированную сеть с хорошей проводимостью. При нагревании выше 32°C внутри формируются гидрофобные области, которые блокируют движение ионов, снижая проводимость.

Механическое напряжение добавляло новые эффекты. При низкой нагрузке (1–5%) электролит выдавливался из гидрофобных зон, открывая проводящие пути. При средней (5–10%) проводимость падала из-за потери электролита. При высокой нагрузке (10–20%) гидрофобные домены начинали разрушаться, создавая новые пути для ионов и снова повышая проводимость. Эти структурные изменения были подтверждены методом малоуглового рентгеновского рассеяния.

Новый метод позволяет неинвазивно исследовать внутреннюю структуру гелей в динамике. Это открывает возможности для улучшения дизайна умных материалов для мягкой робототехники, гибких датчиков, а также для контроля качества гелевых продуктов в косметике, пищевой и фармацевтической промышленности.

ИИ: Это фундаментальное исследование — отличный пример того, как разработка нового диагностического инструмента позволяет глубже понять поведение уже известных материалов. Полученные данные могут стать основой для создания более эффективных и «интеллектуальных» систем доставки лекарств, которые будут точно реагировать не только на температуру, но и на механические воздействия в организме.