Naukowcy opracowali innowacyjne, rozciągliwe 'żelatynowe baterie', które mają potencjalne zastosowania w urządzeniach do noszenia, miękkiej robotyce, a nawet jako implanty mózgowe do dostarczania leków lub leczenia chorób takich jak epilepsja.

Badacze z Uniwersytetu Cambridge znaleźli inspirację w węgorzach elektrycznych, które ogłuszają swoją ofiarę za pomocą elektocytów, wyspecjalizowanych komórek mięśniowych.

Żelatynowe materiały opracowane przez badaczy z Cambridge mają warstwową strukturę podobną do klocków Lego, co umożliwia przepływ prądu elektrycznego.

Te samoprzylepne żelatynowe baterie mogą rozciągać się ponad dziesięciokrotnie od swojej pierwotnej długości bez utraty przewodności, co jest pierwszym przypadkiem, gdy te dwie cechy zostały połączone w jednym materiale. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Science Advances.

Żelatynowe baterie są wykonane z hydrożelu, trójwymiarowej sieci polimerów zawierającej ponad 60% wody. Polimery są połączone odwracalnymi wiązaniami, które kontrolują właściwości mechaniczne żelu.

Zdolność do precyzyjnego kontrolowania właściwości mechanicznych i naśladowania cech ludzkiej tkanki sprawia, że hydrożele są idealnymi kandydatami do zastosowania w miękkiej robotyce i bioelektronice; jednak do takich zastosowań materiały muszą być zarówno przewodzące, jak i rozciągliwe.

"Trudno jest zaprojektować materiał, który jest jednocześnie bardzo rozciągliwy i wysoko przewodzący, ponieważ te dwie cechy są zwykle sprzeczne ze sobą," powiedział Stephen O'Neill, główny autor badania i członek Yusuf Hamied Department of Chemistry w Cambridge. "Zazwyczaj przewodność spada, gdy materiał jest rozciągany."

"Zwykle hydrożele są wykonane z polimerów o neutralnym ładunku, ale jeśli je naładujemy, mogą stać się przewodzące," powiedziała dr Jade McCune, współautorka badania z Department of Chemistry. "Zmieniając skład soli w każdym żelu, możemy uczynić je kleistymi i układać je w wiele warstw, zwiększając tym samym potencjał energetyczny."

Konwencjonalna elektronika wykorzystuje sztywne metalowe materiały z elektronami jako nośnikami ładunku, podczas gdy żelatynowe baterie wykorzystują jony do przenoszenia ładunku, podobnie jak węgorze elektryczne.

Hydrożele łączą się ze sobą mocno dzięki odwracalnym wiązaniom, które mogą tworzyć się między różnymi warstwami, przy użyciu cząsteczek w kształcie beczki zwanych cucurbiturilami, które działają jak molekularne kajdanki. Silne przyleganie między warstwami umożliwione przez molekularne kajdanki pozwala żelatynowym bateriom na rozciąganie bez utraty przewodności.

Właściwości żelatynowych baterii czynią je obiecującymi do przyszłego zastosowania w implantach biomedycznych, ponieważ są miękkie i dostosowują się do ludzkiej tkanki. "Możemy dostosować właściwości mechaniczne hydrożeli tak, aby odpowiadały ludzkiej tkance," powiedział profesor Oren Scherman, dyrektor Melville Laboratory for Polymer Synthesis, który prowadził badania we współpracy z profesorem George'em Malliarasem z Department of Engineering. "Ponieważ nie zawierają one sztywnych komponentów, takich jak metale, implant hydrożelowy byłby mniej podatny na odrzucenie przez ciało lub powodowanie powstawania blizn."

Oprócz swojej miękkości, hydrożele są zaskakująco trwałe. Mogą wytrzymać nacisk bez trwałej utraty pierwotnego kształtu i samodzielnie się regenerować, gdy są uszkodzone.

Badacze planują przyszłe eksperymenty, aby przetestować hydrożele w żywych organizmach i ocenić ich przydatność do różnych zastosowań medycznych.

Badania były finansowane przez Europejską Radę ds. Badań i Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), część UKRI. Oren Scherman jest członkiem Jesus College w Cambridge.

Źródło: University of Cambridge