De (soms) glasharde hydrogel (afb: univ. van Cambridge)

Hydrogels lijken voor veel doeleinden bruikbaar. Ze hechten onder water, zijn superslurpers, onderdeel van zachte contactlenzen en hebben een belangrijke functie bij het kweken van organen in het lab. Daar komt nu een nieuwe ‘functie’ bij. Onderzoekers hebben van een hydrogel gemaakt dat onder druk glashard wordt en dat zich ook weer kan ‘ontspannen’. Dat hydrogel zou volgens de onderzoekers diverse toepassingsgebieden hebben.
Slakken maken hydrogels, sommige krabben gebruiken ze en kwallen bestaan er bijna helemaal uit. Kwallen bestaan voor meer dan 80% uit water dat is opgezogen in een hydrogel. Terwijl hydrogel grotendeels uit vloeistof bestaat kan dat ook verbazingwekkend sterk zijn. Het ‘geraamte’ van zo’n gel bestaat uit vernette polymeren, die water (kunnen) opnemen, maar niet in water oplosbaar zijn. In een vochtige omgeving is zo’n gel zacht, maar onder droge omstandigheden kan die rubberachtig zijn of ‘stollen’ en tot poeder vermalen worden, afhankelijk van de gebruikte polymeren.
Nu hebben onderzoekers een hydrogel ontwikkeld dat onder druk knoerthard wordt en kan fungeren als veiligheidsglas. “Jarenlang hebben we uitsluitend rubberachtige hydrogels gemaakt”, zegt Oren Scherman van de universiteit van Cambridge, “maar dat is maar de helft van het verhaal. Wij hebben een nieuwe klasse materialen ontwikkeld die het hele scala van rubberachtig tot glashard kan verwezenlijken.”
Het idee kwam op toen ze merkten dat bij de meeste hydrogels de dwarsverbindingen tussen de polymeerketens het al snel begeven als er een kracht op wordt uitgeoefend. Die dwarsverbindingen zijn vaak waterstofbruggen en andere zwakke niet-covalente bindingen die snel verloren gaan. “We hadden het idee dat als we die dwarsverbindingen in stand konden houden er supramoleculaire polymeernetwerken zouden kunnen ontstaan die glashard kunnen zijn”, stelt hoofdauteur Zehuan Huang. De hydrogel die ze ontwikkelden heeft dwarsverbindingen die versterkt zijn met zogeheten cucurbiturillen, organische verbindingen met een kooistructuur. Die kooimoleculen aan de einden van de dwarsverbindingen pinnen die als het ware vast. Dat zorgt ervoor dat die dwarsverbindingen zeer traag op trekkrachten reageren. Als er andere kooimoleculen worden gebruikt dan is te ‘boetseren’ hoe goed het materiaal tegen drukkrachten kan.

Varianten

De onderzoekers maakten diverse varianten van deze kooihydrogels. Het bleek dat sommige maaksels zelfs tegen een druk van 1 gigaPascal (10 000 bar/atmosfeer) bestand waren. Dan werden die gels keihard (in plaats van te bezwijken). Dat was tot nu toe nog niet eerder waargenomen bij hydrogels.
Ze lieten een plaatje kooihydrogel verschillende malen door een auto van 1,2 ton overrijden en zelfs na zestien keer was er nog geen barstje in te ontdekken. Nadat de druk verdween nam de hydrogel in een paar minuten weer zijn gewone zachtaardige vorm aan.
Huang: “Voor zover wij weten is het de eerste keer dat er glasachtige hydrogels zijn gemaakt.” Daarmee wordt een hele reeks nieuwe toepassingsgebieden geopend, denkt hij. De onderzoekers denken daarbij aan zachte robotica, het kweken van weefsels en aan draagbare (bio)elektronica. Geen idee waarom.

Bron: bdw