Далеко не все исследования ученых, на которые уходят годы скрупулезного труда, понятны простому обывателю или даже нужны ему. Кто-то даже считает, что многие ученые тратят время и деньги впустую. Когда же дело доходит до разработки чего-то полезного в бытовой среде, то неугомонные критики называют такие новшества несерьезными и также остаются крайне недовольны. Как говорится, и так не так, и эдак не так. Это вопрос понимания (а точнее его отсутствия) того, что многие разработки, какими бы странными или смешными на первый взгляд они ни казались, являются вполне себе серьезной работой, в основе которой лежит тонкое понимания аспектов многих точных наук. Сегодня речь пойдет об одном из таких трудов. Ученые, используя свои знания в химии и физике, создали абсорбирующий материал, способный впитывать жидкость с невероятной эффективностью. Из чего сделана «чудо-тряпка» и как она работает? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Ситуации, в которых может понадобиться материал для впитывания влаги, могут возникнуть и во время готовки еды на кухне, и во время ремонта протекающего крана, и во время операции в стенах больницы. Подобные материалы очень полезны, а потому не удивительно, что их вариации использовались людьми на протяжении тысячелетий. Не стоит забывать, что абсорбирующие материалы стали крайне полезны и прекрасной половине человечества.

В наши дни вариаций абсорбентов очень много, как и материалов, из которых они изготавливаются: полотенца из ткани (натуральной или синтетической), бумажные полотенца, салфетки, губки и т. д. Идеальный абсорбент должен обладать высокой способностью абсорбции жидкости, высокой скоростью абсорбции и хорошими механическими свойствами (он должен быть прочным, но гибким) как в сухом состоянии, так и в наполненном жидкостью состоянии. Для поглощения водных жидкостей материал также должен обладать гидрофильными свойствами.


Изображение №1

Хотя ткань и бумага являются наиболее распространенными абсорбентами, их водопоглощающая способность ограничена (1А). Гораздо более высокая степень абсорбции может быть достигнута за счет использования гидрогелей, изготовленных из сверхабсорбирующих полимеров. Примером тому являются подгузники, обычно содержащие SAP в виде микрошариков, упакованных между слоями ткани или бумаги. Гидрогели представляют собой трехмерные сети полимерных цепей, сшитых ковалентными связями. Гидрогели SAP могут набухать более чем в 100 раз по сравнению с их сухим состоянием. Однако, когда объемный SAP гель высыхает, он обычно становится хрупким и твердым телом. Поэтому для использования SAP в подгузниках их изготавливают в виде микрошариков. Небольшие размеры этих шариков обеспечивают адекватные механические свойства, а также высокую скорость впитывания. Тем не менее ученые отмечают, что подгузник сильно отличается от ткани или бумажного полотенца. В подгузнике необходимость в разных слоях для связывания гранул SAP означает, что материал более толстый, а не гибкий и не складывается как полотенце.

В последние годы исследователи стремились интегрировать SAP гели в волокна (например, путем покрытия волокон гелевыми шариками) для достижения сочетания гибкости, подобной ткани, и высокой поглощающей способности. Однако достичь желаемого результата пока не удалось, ввиду сложности синтеза такого материала. Альтернативным путем было добавление пор в сами SAP гели. Наиболее распространенной стратегией для достижения этого является «шаблонирование пены», когда раствор мономера вспенивается, а затем вокруг пузырьков в пене проводится полимеризация. Проблема в том, что полученные образцы оказываются твердыми и хрупкими, а их максимальный размер не превышает нескольких миллиметров (1B). Те же проблемы присущи и другим абсорбирующим материалам, таким как аэрогели, криогели и электропряденые нановолокна. Из вышесказанного можно сделать вполне ожидаемый вывод, что нынешние разработки абсорбирующих материалов не могут достичь желаемых физических (гибкость, прочность) и абсорбирующих характеристик.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые продемонстрировали новый материал, который можно изготовить в форме гибких листов толщиной несколько миллиметров, сохраняя при этом их способность быстро и эффективно впитывать жидкости в большом объеме. Процесс создания этих абсорбентов достаточно прост и поддается масштабированию. Сухие листы гибкие и мягкие, а потому их можно складывать и сворачивать, как ткань (1С). Также они обладают высокой прочностью, так как выдерживают напряжение на растяжение до 2 кПа и сжатие до 85 % без повреждений.

Результаты исследования

Изображение №2

Первым этапом синтеза гелевых листов является получение стабильной пены, содержащей мономеры, которая затем полимеризуется под действием ультрафиолетового света (схема выше). Для приготовления пены использовался двуцилиндровый шприц (DBS от double-barreled syringe). В один цилиндр загружался раствор мономеров акриловой кислоты (Aac) и акриламида (Aam), сшивающего агента полиэтиленгликольдиакрилата (PEGDA) и полимерного стабилизатора в уксусной кислоте (CH₃COOH). В другом цилиндре был раствор фотоинициатора ацилфосфината лития (LAP) в бикарбонате натрия (основание).

Когда оба цилиндра DBS заполнены, кислота и основание встречаются на смесительном наконечнике, после чего происходит следующая реакция:

R − COOH + NaHCO₃ → R − COONa + CO₂(g) + H₂O

Это приводит к выделению углекислого газа (CO₂) в виде пузырьков. Полимерный стабилизатор, представляющий собой гидрофобно модифицированный хитозан (hmC), адсорбируется на пузырьках и таким образом стабилизирует их. Пена из шприца затем выдавливается в Ziploc-пакет, который затем плотно закрывается. Потом пакет с пеной затем сжимают между двумя стеклянными пластинами для равномерного распределения пены (2A). Затем пена подвергается воздействию УФ-излучения при комнатной температуре в течение 2 минут (2B). Таким образом, мономеры полимеризуются в полимерную сеть вокруг пузырьков газа (2D). На этом этапе имеется гель с порами, а потому пакет разрезается и из него достается материал. Этому пористому гелю дают набухнуть в воде, затем удаляют и помещают в смесь глицерина и этанола. После завершения замены растворителя его сушат в условиях окружающей среды (2C). Окончательный высушенный материал представляет собой мягкий лист, похожий на ткань. Ученые решили назвать это материал «гелевым листом».


Изображение №3

Выше представлены снимки оптической и сканирующей электронной микроскопии образца листа для которого использовали мономеры 18.75% AAc и 6.25% AAm, а концентрация сшивающего агента PEGDA составляла 2.5 мол.% по отношению к общему объему мономера. Водный гель (с порами) заменяли растворителем в растворе глицерин/этанол (15/85), а затем сушили в условиях окружающей среды.

Снимки показывают пористую природу листа, при этом поры связаны между собой и образуют сеть открытых микроканалов. Эти каналы облегчают абсорбцию жидкостей гелевым листом за счет капиллярного действия. Пористость (ε_gel) листа сухого геля можно оценить по формуле из измерений плотности:

ε_gel = 1 — ρ_gel/ρ_bulk

где ρ_gel — плотность листа геля, а ρ_bulk — плотность объемного твердого вещества (без пор). Расчеты показали, что ε_gel составляет 84%. Анализ с использованием программы ImageJ показал, что средний размер пор составляет 240 мкм.


Изображение №4

Стандартный гелевый лист был размером 10 х 8 см и толщиной 4 мм (4A). Прочность листа показана выше на фото А1–А5: его можно несколько раз складывать и разворачивать, можно сворачивать и скручивать — во всех случаях нет разрывов и видимых повреждений даже после многократных циклов такой деформации. Тактильно лист напоминает обычную ткань. Лист также можно легко разрезать обычными ножницами (4B). Края разреза гладкие и ровные, как у ткани (фото B1–B5).

Далее были проведены тесты на проверку механических свойств листа при сжатии и растяжении.


Изображение №5

Для испытаний на растяжение лист был вырезан в форме кости общей длиной 35 мм и шириной в узкой области 14 мм. Образец зажимали в устройстве и растягивали со скоростью 2 мм в минуту. Соответствующий график зависимости напряжения от деформации (5A) показывает предел прочности при растяжении 2 кПа (т. е. максимальное напряжение при разрыве), модуль упругости при растяжении 4.8 кПа и деформацию при растяжении 45% до разрушения.

Для испытаний на сжатие использовался более толстый отрезок толщиной 15 мм. График зависимости напряжения сжатия от деформации, соответствующей скорости 50 мм/с, показан на 5B. Образец можно было сжать до 85% от своего размера. После снятия напряжения образец мгновенно восстанавливался до своего исходного состояния. Даже после нескольких таких циклов сжатия не наблюдалось никаких повреждений или пластической деформации.

Как отмечают ученые, ключевым фактором для достижения вышеописанных характеристик является использование глицерина в качестве пластификатора. Пластификаторы представляют собой небольшие нелетучие молекулы, которые распределяются между полимерными цепями и уменьшают межцепные взаимодействия, тем самым улучшая гибкость материала. Если пластификатор не используется (т. е. гель высушивается в чистом этаноле), сухой гель становится хрупким и при незначительной деформации распадается на куски. Тесты показали, что оптимальной концентрацией глицерина в растворе составляет 15%. Если же этот показатель был выше, то модуль упругости гелевого листа становился слишком низким.

Даже после года хранения при комнатной температуре эти гелевые листы оставались мягкими и гибкими. Это указывает на то, что листы стабильны и имеют длительный срок хранения.

Далее ученые приступили к оценке самого важного параметра гелевых листов — поглощающей способности. Для этого на столе разливали 25 мл деионизированной (DI) воды, а для ее абсорбции использовался лист размерами 10 х 8 х 0.4 см.


Изображение №6

Как видно из снимков выше (6A/А1–А4), гелевый лист поглощал всю пролитую воду в течение 20 секунд. Наполненный водой лист сохранял целостность (А5), его можно было спокойно держать на весу, а жидкость не стекала.

Для сравнения тот же эксперимент был проведен с коммерчески доступной впитывающей салфеткой (Sungbo), изготовленной из ткани. Салфетку складывали вдвое, что ее габариты соответствовали проверенному ранее гелевому листу, а затем пытались убрать тот же объем пролитой воды (6B). На снимках B1–B4 видно, что салфетка смогла впитать лишь часть воды (спустя 1 минуту было абсорбировано около 60% воды). Если же салфетку поднимали над столом, то вода начинала стекать.

Видео №1: сравнительные эксперименты по впитыванию воды с помощью гелевого листа и коммерческой салфетки.

Дополнительно было проведено сравнение с бумажными полотенцами, с помощью которых пытались убрать 20 мл воды. Бумажное полотенце поглощало лишь 48% воды, что меньше даже, чем у тканевой салфетки. Выделение воды при поднятии полотенца также наблюдалось.


Изображение №7

На графиках выше дополнительно представлены различия между гелевым листом и другими абсорбентами. В ходе сравнения использовались листы разного размера для впитывания разного объема воды.

Листы толщиной 4 мм и различных размеров (3 х 2, 4 х 3, 6 х 4, 8 х 6 и 10 х 8 см) помещали в деионизированную воду и позволяли достичь равновесного поглощения. Пропитанные листы вынимали и держали вертикально для удаления избытка воды. Когда капание прекращалось, листы взвешивали, и количество абсорбированной воды (называемое «пределом водопоглощения») наносилось на график (7А). Так же делали и с тканевыми салфетками.

Как и ожидалось, предел поглощения увеличивался с размером листа в обоих случаях. Однако для гелевого листа значения были намного выше. Водопоглощающая способность гелевого листа составила 2.2 мл/см³, а тканевой салфетки — 0.67 мл/см³. В пересчете на массу гелевый лист поглощает около 30 г воды на грамм сухого материала.

На графике 7В показано сравнение гелевого листа с коммерчески доступными абсорбентами, а именно: салфетка Sungbo, тканевое полотенце Shamwow и бумажное полотенце Bounty (все образцы были одного размера 10 х 8 х 0.4 см).

Полотенца Shamwow являются популярным коммерческим продуктом и, как утверждается, сделаны из хлопковой замши (chamois cloth, не путать с замшей из кожи). Подавляющему большинству пользователей интернета этот продукт известен под другим именем («Исусья тряпка»), благодаря мемному видео. А вот бумажные полотенца Bounty популярны не только в домах, но и в лабораториях, что намекает на их эффективность.

По данным оценки поглощающей способности предел абсорбции гелевого листа составляет 70 мл (или 60 мл, если была использована обычная вода из крана), тогда как для других он составляет 15–20 мл.

Как заявляют ученые, одним из уникальных аспектов гелевых листов является то, что они по-прежнему реагируют как гели, в частности, когда они впитывают воду, они набухают и расширяются. Набухание происходит из-за того, что анионные цепи отталкивают друг друга, а противоионы также увеличивают внутреннее осмотическое давление. Напротив, типичные абсорбенты впитывают воду за счет капиллярного действия и не набухают.


Изображение №8

Чтобы продемонстрировать эти различия, из гелевого листа и бумажного полотенца Bounty были вырезаны диски диаметром 3 см. Затем в центр каждого диска добавлялась вода. Лист геля начинал расширяться (8А), и на графике выше показана зависимость диаметра диска от количества воды (8В). А вот бумажное полотенце оставалось такого же диаметра, впитав только 3 мл воды, после чего вода просто растекалась по столу вокруг диска.


Изображение №9

Далее ученые проверили абсорбцию гелевого листа с использованием других жидкостей. На столешницу было пролито 40 мл цитратной бычьей крови. На 9А снимки A1–A4 демонстрируют, что лист геля поглощал 99% крови в течение минуты. Как и в предыдущем опыте, при поднятии листа в воздух он сохранял целостность, а жидкость не вытекала.

Контрольным образцов послужила раневая повязка McKesson (4-слойная нетканая марля из полиэстера/вискозы). На 9B видно, что марлевая повязка поглощала всего лишь 55% крови. Более того, когда пропитанную кровью марлю поднимали вверх, из нее начинала капать кровь, т. е. марля не в состоянии стабильно удерживать жидкость.

Видео №2: сравнительные эксперименты по впитыванию крови с помощью гелевого листа и марлевой повязки.

В настоящее время на рынке доступно множество продуктов для очистки крови в зависимости от ситуации, от повязок до прокладок. Был проведен сравнительный анализ поглощения крови гелевого листа и трех других продуктов: марлевая повязка McKesson, гигиеническая прокладка Always и полиуретановая губка Carrand (все образцы размером 2 х 2 х 0.4 см).


Изображение №10

Как видно из графика выше, гелевый лист поглощал 4.6 мл крови, а другие образцы поглощали от 1.5 до 1.8 мл.

В быту человек сталкивается с пролитием разных жидкостей, которые по своим физическим свойствам могут отличаться от обычной воды. Чтобы проверить, как гелевый лист будет справляться с подобными жидкостями, был проведен опыт с применением вязкоупругих растворов полимера ксантановой камеди (XG) в воде с концентрацией XG в диапазоне от 0.01% до 2%. Листы геля размером 2 х 2 х 0.4 см помещали в каждый раствор и определяли предел абсорбции. Для сравнения эксперименты были повторены с Sungbopad того же размера.

Результаты показали, что независимо от реологии жидкости гелевый лист способен поглощать водные жидкости. Гелевый лист был способен поглотить 4.1 мл раствора XG, имеющего вязкость в 4 миллиона раз выше, чем у воды. Для сравнения, Sungbo впитал менее 1 мл такой высоковязкой жидкости.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые продемонстрировали свою разработку — гелевый лист, способный эффективно поглощать и удерживать жидкости разного происхождения.

Смесь кислоты, основания и ряда других ингредиентов помещались в пакет, в результате чего начинался процесс образования гелевой пены, содержащей множество пор. Эти поры были соединены друг с другом микрокапилярами, что повышало эффективность поглощения. Затем пакет со смесью помещали между стеклянными пластинами для формирования тонкого листа, который подвергался воздействию ультрафиолета. После этого лист геля помещали в смесь глицерина и этанола и высушивали на воздухе. Полученный образец напоминал обычную тканевую салфетку как по механическим свойствам (мягкий и гибкий), так и по тактильным ощущениям.

В ходе практических испытаний гелевый лист соревновался в силе поглощения воды, крови и сверхвязких жидкостей с разными коммерчески доступными абсорбирующими материалами, начиная от обычных кухонных полотенец и заканчивая гигиеническими прокладками. Во всех опытах гелевый лист показал в разы большую поглощающую способность и силу удержания жидкости.

В будущем ученые намерены усовершенствовать гелевый лист, повысить его абсорбцию, прочность, снизив стоимость производства, а также попытаться реализовать возможность повторного использования. Но и результатов, которые показаны в рассмотренном труде, достаточно, чтобы понять — данный продукт будет крайне полезен и в быту, и в операционных, и в лабораториях.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?