Zázračný hydrogel ztvrdne při zahřátí. Kredit: Nonoyama et al. (2019), Advanced Materials.

Je až k neuvěření, jak inspirativní jsou pro nás extremofilové, obyvatelé extrémních prostředí na Zemi, v nichž byste zaručeně nechtěli být ani chvilku. Ke svému životu si pořídili pozoruhodné adaptace, k nimž, naštěstí, nemají autorská práva. Těmito drsnými mikroorganismy se inspiroval i tým japonských vědců Hokkaido University, který vyvinul doposud nevídaný hydrogel.

Jian Ping Gong. Kredit: Hokkaido University.

Když zahřejete prakticky každý polymer na světě, tak to rozvolní jeho strukturu a takový materiál změkne nebo se i zdeformuje. Jenomže nový polymerový hydrogel udělá přesný opak. Když ho zahřejete na 60 °C tak nesmírně ztvrdne, asi 1 800krát. V pokojové teplotě je tenhle materiál měkký a průhledný. Po zahřátí na 60 °C se zneprůhlední, ztvrdne jako kámen a také se velice zpevní.

Jian Ping Gong a její kolegové našli inspiraci u proteinů, jimiž jsou vybaveni extremofilové v extrémně horkém prostředí. Tyhle organismy žijí v teplotách, v nichž by se normální stvoření uvařilo. Jejich proteiny to ale zvládají a zůstávají stabilní a funkční i ve velmi vysokých teplotách.

Mechanismus ztvrdnutí nového hydrogelu. Kredit: Nonoyama et al. (2019), Advanced Materials.

Vědci k poctě extremofilů vyvinuli levný a bezpečný hydrogel, který je založený na polyakrylátu, smícháním kyseliny polyakrylové a roztoku acetátu vápníku. V obou případech jde o běžné dostupné a využívané látky. Kyselina polyakrylová se za normálních okolností chování jako obyčejný polymer a po zahřátí změkne. Když se ale setká acetátem vápníku, tak tato látka interaguje s polyakrylovými skupinami na povrchu polymeru, což zásadně změní vlastnosti výsledného materiálu.

Yellowstone, typický biotop extremofilů. Kredit: Jim Peaco, National Park Service.

Když se extrémofilní hydrogel zahřeje na teplotu kolem 60 °C, tak dojde k jeho dehydrataci, posílí se jeho iontové vazby a stane se z něj velmi tvrdý plast. Je nejenom 1 800krát tvrdší než nezahřátý hydrogel, ale také 80krát pevnější a 20krát průrazuvzdornější. Když badatelé aplikovali tento hydrogel na materiál ze skleněných vláken, tak získali materiál, který byl za pokojové teploty měkký. Když ho pak ale dřeli o asfalt po dobu 5 sekund při rychlosti 80 kilometrů za hodinu, tak se rychle zahřál a děsivě ztvrdl. Po bližším prozkoumání na něm nebylo dření o asfalt téměř vůbec znát.

Test s asfaltem samozřejmě nebyl náhodný. Podle badatelů by podobné rychle tvrdnoucí materiály mohly najít využití například i jako sofistikovaný ochranný prvek pro účastníky dopravního provozu, které by chránil v případě nehody. Další využití by mohl nalézt například v oknech, kde by mohl absorbovat teplo a udržovat tím vnitřky budov chladnější.

Video:  Researcher Profile: Jian Ping GONG


Literatura
Hokkaido University 4. 12. 2019.