Appiccicoso: il polimero idrogel adesivo subacqueo più performante
Ispirata alla biologia, la tecnologia è stata sviluppata utilizzando il data mining e l'apprendimento automatico
Gli idrogel sono materiali morbidi permeabili costituiti da reti polimeriche e acqua, con applicazioni che vanno dall'ingegneria bio-medica alle lenti a contatto. L'intrinseco degli idrogel è la capacità di conferire diverse caratteristiche modificando le loro reti polimeriche. Il laboratorio di ricerca del professor Gong presso il WPI-ICReDD dell'Università di Hokkaido è specializzato nella tecnologia degli idrogeli e ha progettato idrogeli con proprietà di auto-rinforzo, auto-guarigione, adesione subacquea e altro ancora. Per gli idrogel adesivi, l'ottenimento di un'adesione subacquea istantanea, forte e ripetibile è una sfida prevalente.
Una fotografia di una papera di gomma aderita a una roccia marina grazie a una nuova tecnologia idrogel che resiste alle ripetute maree oceaniche e agli impatti delle onde.
WPI-ICReDD, Hokkaido University
Grazie a una combinazione di data mining e machine learning, il professor Gong, il professor Takigawa, il professor Fan, lo studente laureato Liao e i colleghi hanno recentemente sviluppato gli idrogeli adesivi subacquei più forti mai realizzati finora, con una forza adesiva (Fa) superiore a 1 MPa. La forza dei gel è stata istantanea e ripetibile e sono funzionali su diverse superfici a livelli variabili di salinità, dall'acqua pura all'acqua di mare. Questa ricerca è stata pubblicata su Nature ed è stata selezionata per la copertina.
A titolo di riferimento, se questi idrogel fossero tagliati nelle dimensioni di un singolo francobollo (2,5 x 2,5 cm), potrebbero teoricamente sostenere circa 63 kg (ad esempio un essere umano adulto). I ricercatori hanno dimostrato la forza adesiva dell'idrogel applicandolo a una papera di gomma su una roccia in riva al mare, dove ha resistito a ripetute maree oceaniche e all'impatto delle onde.
Ispirandosi alla biologia, questi idrogel sono stati progettati con reti di polimeri derivati da proteine adesive presenti in archei, batteri, eucarioti e virus. Nonostante la diversità tra questi organismi, queste proteine condividono schemi di sequenza comuni che conferiscono l'adesione in ambienti umidi. Per questo, sono stati estratti circa 25.000 set di dati di proteine adesive, raccolti dal database delle proteine del National Center for Biotechnology Information (NCBI), alla ricerca di sequenze di aminoacidi importanti per l'adesione sottomarina.
Hanno replicato queste sequenze in reti di polimeri e sintetizzato 180 idrogeli, ciascuno contenente reti di polimeri uniche. I dati raccolti dallo studio di questi idrogeli sono stati analizzati con l'apprendimento automatico che ha ulteriormente estrapolato le sequenze polimeriche più significative. I 180 gel originali sintetizzati grazie al data mining hanno dimostrato qualità adesive superiori ai gel precedentemente riportati in letteratura. Tuttavia, i gel ispirati dall'apprendimento automatico sono stati più incredibili, superando le qualità altamente desiderate sopra menzionate.
L'adesione ripetibile e istantanea è una qualità altamente desiderata per applicazioni che vanno dall'ingegneria biomedica all'esplorazione delle profondità marine. Queste qualità sono state confermate in un esperimento in cui è stato possibile coprire istantaneamente e ripetutamente la perdita d'acqua di un tubo danneggiato.
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