Selbstheilende Ionogele nach dem Vorbild von Spinnenseide:
Ionogele sind dreidimensionale Polymermatrizen, die mit ionischen Flüssigkeiten (ILs) infundiert sind und einzigartige Eigenschaften wie hohe Ionenleitfähigkeit, thermische und chemische Stabilität, Umweltbeständigkeit und Flexibilität aufweisen. Trotz ihrer Vorteile sind Ionogel-basierte Strukturen anfällig für Beschädigungen und Funktionsbeeinträchtigungen im Laufe der Zeit, was zu Leistungseinbußen oder Ausfällen führen kann.
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, haben Forscher selbstheilende Mechanismen untersucht, die von lebenden Organismen inspiriert sind. Selbstheilende Ionogele auf Basis reversibler nichtkovalenter Wechselwirkungen zeigen zwar vielversprechende Reparaturfähigkeiten bei Raumtemperatur, leiden jedoch häufig unter einer geringen mechanischen Festigkeit. Ionogele mit dynamischen kovalenten Bindungen weisen hingegen eine höhere Robustheit auf, benötigen jedoch in der Regel externe Reize wie Wärme oder Licht, um sich selbst zu heilen, was ihre Effizienz einschränkt. Die Herstellung eines Gleichgewichts zwischen hoher mechanischer Festigkeit und effizienter Selbstheilung unter Umgebungsbedingungen bleibt eine große Herausforderung.
Inspiriert von Spinnenseide, die für ihre außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften bekannt ist, wird in der Studie eine mehrstufige Wasserstoffbrückenbindungsstrategie vorgestellt, um die mechanische Festigkeit zu verbessern und Selbstheilungsfähigkeiten zu ermöglichen. Die Struktur der Spinnenseide dient als Vorbild für die Entwicklung von Ionogelen mit außergewöhnlicher Festigkeit und Zähigkeit. Poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPAM)- und Poly(N,N-dimethylacrylamid) (PDMA)-Ketten ahmen diese natürlichen Strukturen nach und ermöglichen es dem Ionogel, Energie durch Wasserstoffbrückenbindungen ähnlich wie Spinnenseide abzuleiten.
Die Methoden umfassen die Synthese von Ionogelen unter Verwendung von N-Isopropylacrylamid (NIPAM), N,N-Dimethylacrylamid (DMA) und ionischen Flüssigkeiten (ILs) wie 1-Ethyl-3-methylimidazolium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid ([EMI][TFSI]). Die synthetisierten Ionogele wurden mit einem BioScaffolder 4.2 gedruckt. Die Ionogele wurden zunächst in eine Extrusionskartusche gefüllt. Nach dem Schmelzen bei 145 °C für 10 Minuten wurden die homogenen, niedrigviskosen und transparenten Ionogele mit einer Düse mit einem Durchmesser von 0,7 mm und einer Extrusionsgeschwindigkeit von 6 mm s−1 extrudiert.
Die Ergebnisse zeigen, dass diese Ionogel-Fasern spinnenseidenähnliche Eigenschaften aufweisen, darunter eine ausgezeichnete Energieableitung und ein hervorragendes Hystereseverhalten. Sie verfügen außerdem über Dehnungs- und Wärmesensoren, die eine präzise Ortung von Objekten ermöglichen. Darüber hinaus sind die Ionogele sehr gut recycelbar und können mittels 3D-Druck in verschiedene Formen gebracht werden.
Die Forschung zeigt ferner, dass die entwickelten Ionogele durch Techniken wie 3D-Druck und Spinnen eine hervorragende Selbstheilungsfähigkeit, Recyclingfähigkeit und Verarbeitbarkeit aufweisen. Durch die Nutzung dynamischer Wasserstoffbrückenbindungen bieten diese Ionogele innovative Lösungen zur Verbesserung der Haltbarkeit und Nachhaltigkeit sowie zur Reduzierung von Elektronikschrott. Dieses Konstruktionsprinzip eröffnet neue Wege für die Entwicklung von Hochleistungswerkstoffen.
Die Prozessierung von Ionogelen
Dieser Artikel basiert auf der folgenden Veröffentlichung:
Sun, L.; Huang, H.; Zhang, L.; Esmaeely Neisiany, R.; Ma, X.; Tan, H.; You, Z. Spider-Silk-Inspired Tough, Self-Healing, and Melt-Spinnable Ionogels. Advanced Science 2024, 11, 2305697.2023, https://doi.org/10.1002/advs.202305697
