研究人員創造出一種獨特的水凝膠，它既堅韌又能自我修復，這要歸功於納米片增強的聚合物糾纏。這種材料能在數小時內自我修復，可徹底改變人造皮膚、機器人和醫療應用。

水凝膠在莫比烏斯環中通過自我修復形成的藝術表現。 圖片來源：Margot Lepetit / 阿爾托大學

凝膠在日常生活中隨處可見，從美髮產品到果凍狀質地的食品。 雖然人類的皮膚也有一些類似凝膠的特質，但卻很難複製。 皮膚既僵硬又有彈性，而且具有非凡的自愈能力--通常在受傷后 24 小時內就能完全修復。

迄今為止，人造凝膠只能模仿皮膚的硬度或自我修復能力，而不能同時模仿兩者。 來自阿爾託大學和拜羅伊特大學的研究小組現已克服了這一局限。 他們開發出了一種具有獨特結構的水凝膠，這種水凝膠兼具強度和自我修復功能，為藥物輸送、傷口癒合、軟機器人和人造皮膚領域的進步鋪平了道路。

在這項突破性研究中，研究人員通過添加超薄大粘土納米片增強了一種水凝膠。 水凝膠通常是柔軟的，但這種新材料形成了一種高度有序的結構，納米片之間有密集纏結的聚合物。 這不僅能增強水凝膠的強度，還能使其在受損后自我癒合。

這項研究發表在今天（3月7日）出版的著名期刊《自然材料》上。

這種材料的秘密不僅在於納米片的有序排列，還在於納米片之間纏結的聚合物，以及一種像烘烤一樣簡單的工藝。 博士後研究員陳亮將單體粉末與含有納米片的水混合。 然後將混合物放在紫外線燈下--類似於凝膠指甲油的定型燈。梁解釋說："紫外線燈的紫外線輻射會使單個分子結合在一起，從而使一切都變成彈性固體--凝膠。"

阿爾托大學的張航補充說："糾纏意味著薄聚合物層開始像細小的羊毛紗線一樣相互纏繞，但順序是隨機的。當聚合物完全糾纏在一起時，它們彼此無法區分。 它們在分子水準上非常活躍和機動，當你切斷它們時，它們又開始交織在一起。"

在用刀切開四小時後，這種材料的自我修復率已經達到 80% 或 90%。 此外，一毫米厚的水凝膠含有 10，000 層納米薄片，這使得這種材料的硬度與人類皮膚相當，並具有同等程度的伸展性和柔韌性。

"長期以來，水凝膠的硬度、強度和自愈性一直是個難題。 我們發現了一種能增強傳統軟水凝膠的機制。 這將徹底改變具有生物啟發特性的新材料的開發。"

"這項工作是一個令人興奮的例子，說明生物材料如何啟發我們為合成材料尋找新的特性組合。 想像一下，機器人擁有堅固耐用、自我修復的皮膚，或者合成組織能夠自主修復，"阿爾托大學的奧利-伊卡拉（Olli Ikkala）說。 儘管離實際應用可能還有一段距離，但目前的成果代表了一次關鍵性的飛躍。這是一種可以更新材料設計規則的基礎性發現。

編譯自/scitechdaily