Znajdź zawartość

Materiały plastikowe znajdują się w użyciu już od kilku dziesięcioleci. Poszukując nowych rozwiązań, producenci napotykają jednak na poważne ograniczenie: niemożność bezpośredniego obserwowania wpływu mikroskopowej budowy materiału na właściwości mechaniczne. Cząsteczki syntetycznych polimerów są zwyczajnie zbyt małe, czego nie można już powiedzieć o biopolimerach, np. włóknach mięśniowych. To właśnie zainspirowało specjalistów z zespołu profesora Andreasa Bauscha z Technische Universität München (TUM). Gdy film polietylenowy jest silnie rozciągany, staje się w wyniku reorganizacji łańcuchów polimerowych bardziej odporny na rozrywanie, a to ważna cecha w przypadku plastikowych toreb na zakupy. Pod wpływem częstych naprężeń niektóre elastyczne polimery - gumy napełnione - stają się natomiast bardziej miękkie. Zjawisko to zostało nazwane efektem Mullinsa (od nazwiska swojego odkrywcy Leonarda Mullinsa). Dotąd nie było jednak wiadomo, co dokładnie dzieje się z łańcuchami polimerowymi poddanymi działaniu naprężeń, a przecież zrozumienie procesów z poziomu molekularnego pozwoliłoby wynalazcom nowych plastików oszczędzić dużo czasu i pieniędzy. Ekipa Bauscha wykorzystała białko kurczliwe mięśni, a mianowicie aktynę w formie włókienkowej (aktynę F). Utworzono nową sieć polimerową. Co ważne, filamenty aktynowe są widoczne pod konfokalnym mikroskopem fluorescencyjnym, dzięki czemu po przyłożeniu do materiału naprężeń można było obserwować ruchy pojedynczych włókien. Korzystając z reometru, który pozwala określić właściwości mechaniczne materiału, a także ze wspomnianego mikroskopu, Niemcy widzieli zachowanie sieci filamentów aktynowych podczas mechanicznej deformacji i mogli je sfilmować w trójwymiarze. W ten sposób naukowcy uzyskali modelowy system, który rzucił nieco światła na procesy molekularne leżące u podstaw efektu Mullinsa, a także zjawiska odwrotnego, czyli twardnienia materiały pod wpływem powtarzających się naprężeń. Powodem zmiany właściwości mechanicznych była, jak można się domyślić, rozległa reorganizacja sieci.

Zespół profesora Chrisa Wedera z Case Western Reserve University stworzył supermateriał zainspirowany właściwościami skóry strzykwy, czyli ogórka morskiego. W momencie zagrożenia zwierzę ulega błyskawicznej przemianie: z miękkiego i giętkiego staje się twarde. Proces odwrotny zachodzi równie szybko. Dzięki zbroi strzykwa chroni się przed atakami drapieżników. Materiał Amerykanów także przeobraża się w ciągu kilku sekund. Pod wpływem wilgoci przechodzi od stanu sztywnego plastiku w elastyczną gumę (Science). Naukowcy sądzą, że znajdzie zastosowanie przy produkcji implantów medycznych, np. giętkich elektrod, wszczepianych do mózgów pacjentów z chorobą Parkinsona, po udarze lub z urazami rdzenia kręgowego, czy stentów. Wykorzystaliśmy skórę ogórków morskich jako podstawę nowej klasy sztucznych materiałów, które na komendę mogą zmieniać swoje właściwości mechaniczne – wyjaśnia profesor. Materiał można by usztywniać, żeby ułatwić wszczepianie implantu. Po zakończeniu procedury ulegałby on uelastycznieniu pod wpływem wilgotnego środowiska tkanki mózgowej. Przyglądając się właściwościom tkanki mózgu, łatwo stwierdzić, że jest dużo delikatniejsza od typowej elektody. To ważne spostrzeżenie, ponieważ okazuje się, że zbyt sztywne elektrody z czasem stopniowo uszkadzają okoliczne komórki. Nowy materiał zapobiegłby ich degradacji. Produkuje się go z dwóch składników: polimeru przypominającego gumę oraz cienkich włókien celulozowych, które dodają sztywności. W miejscu skrzyżowania włókien tworzą się wiązania wodorowe. Nanowłókna są sklejone ze sobą w miejscu każdego skrzyżowania. Dodanie wody powoduje ich rozerwanie. Zespołowi Wedera wielokrotnie udało się skleić i rozkleić włókna. Obecnie trwają eksperymenty na zwierzętach, które mają wykazać, jak wynalazek Amerykanów działa na tkankę mózgu. Naukowcy wskazują też inne pola zastosowań materiału. Wykorzystując prąd elektryczny, dałoby się uzyskać stawy lub rodzaj gorsetu, które w zależności od potrzeb czy fazy ruchu, byłyby sztywne albo giętkie. Na tym jednak nie koniec. Polimerowo-celulozowa kamizelka mogłaby być wygodnym przyodziewkiem, a w innych okolicznościach kamizelką kuloodporną.