Группа профессора Гонга из WPI-ICReDD разработала новые принципы конструирования гидрогеля, имитирующего мышцы, который самопроизвольно укрепляется под воздействием механического напряжения. Благодаря этому гель быстро усиливается при механическом стрессе, демонстрируя повышенную стабильность.
Гидрогели — это проницаемые мягкие материалы, состоящие из полимерных сетей и воды, которые находят применение в биологических материалах.
Ранее группа профессора Гонга разработала технологию создания гидрогелей с двойной сетью, имитирующих мышцы, которые самопроизвольно укрепляются при механическом воздействии.
Под механическим напряжением хрупкая полимерная сеть разрушается и генерирует радикалы, которые образуют новые, более прочные полимерные сети, вступая в реакцию с мономерами, предварительно диспергированными в материале.
Недавно группа обнаружила, что включение механофоров, содержащих слабые связи в хрупкой сети, значительно повышает эффективность разрушения связей и тем самым приводит к быстрому самоукреплению. Однако такие слабые связи чувствительны к нагреву и световым реакциям, что вызывает опасения по поводу стабильности материала.
Для решения этой проблемы команда исследователей из WPI-ICReDD разработала компьютерный дизайн, который быстро оценивает механофоры, содержащие более прочные связи, но создающие чувствительные к силе полимеры.
Исследовательская группа профессора Маэды разрабатывает метод Artificial Force Induced Reaction (AFIR), который автоматически исследует пути реакций. Доцент Цзянь разработал расширенный метод AFIR (EX-AFIR), который анализирует реакции, вызванные механическим воздействием, и предсказывает силу, необходимую для разрыва полимерных цепей.
В сочетании с машинным обучением, разработанным доцентом Стаубом и профессором Варнеком, они быстро отбирали кандидатов-механофоров и определили ключевые молекулярные параметры. Исследование опубликовано в Chemical Science.
Сначала молекулярные кандидаты были предварительно отобраны по желаемой ограниченной вращательной способности (<90°). Было предсказано, что ограниченное вращение внутри полимерной цепи эффективно вводит «узлы», где цепь может разрушаться под слабым воздействием, несмотря на наличие прочных связей.
Затем EX-AFIR использовали для определения силы активации (F_act), силы, необходимой для инициирования генерации радикалов у этих кандидатов с узлом. Наконец, EX-AFIR объединили с машинным обучением для расчёта путей распада радикалов и идентификации механофоров, которые могли бы генерировать долгоживущие радикалы.
Гели были синтезированы из выбранных механофоров и исследованы для подтверждения практичности этого метода компьютерного отбора. Эти гели отличались быстрым усилением, а механофоры оставались неизменными после нагревания до 80 °C или воздействия ультрафиолетового излучения в течение 10 часов, как и ожидалось, что подчёркивает значимость узловой структуры.
Дополнительно были исследованы гели, синтезированные из механофоров, которые были отфильтрованы на основе компьютерного моделирования. Как и предполагалось, эти гели не продемонстрировали свойств самоукрепления, что дополнительно подтверждает практичность этого подхода к компьютерному проектированию.
Результаты подчёркивают захватывающие возможности интеграции компьютерных расчётов для быстрого развития технологий, которые в противном случае потребовали бы много времени.
Видео сравнивает генерацию радикалов в гидрогелях, предложенных (DN-Cam) и отфильтрованных (DN-Cy и DN-Pin) компьютерным моделированием. В гелях предварительно диспергированы ионы железа (Fe²⁺) и ксиленовый оранжевый.
Радикалы, образующиеся из разрушенных полимерных сетей, будут окислять ионы железа (Fe²⁺ → Fe³⁺), которые затем образуют комплекс с ксиленовым оранжевым, образуя отчётливый оранжевый цвет.
Как и предполагалось компьютерным моделированием, только гель DN-Cam продемонстрировал заметное изменение цвета, что указывает на то, что другие гели генерируют нестабильные радикалы, которые быстро распадаются.
Предоставлено Hokkaido University.