O polímero de gel semelhante ao músculo fica mais forte com uma nova receita

Uma nova receita, ou diretrizes de design, para um hidrogel muscular auto-fortalecedor foi desenvolvido através da integração estratégica de pesquisas computacionais, de informação e experimental. O gel resultante exibe um rápido reforço sob estresse mecânico com maior estabilidade.

Os hidrogéis são um materials macio permeável que consiste em redes de polímeros e água relevantes para aplicações de materiais biológicos.

O grupo do professor Gong na WPI-ICREDD desenvolveu anteriormente as tecnologias de hidrogel de rede dupla do tipo muscular que sofrem auto-fortalecimento ativado pelo estresse mecânico.

Sobre estresse mecânicoa rede de polímeros quebradiços quebra e gera radicais que formam novas redes de polímeros mais fortes, reagindo com monômeros pré-dispersos no materials.

Recentemente, o grupo descobriu que a incorporação de mecanóforos contendo ligações fracas na rede quebradiça melhora muito a eficiência da quebra de títulos e, assim, leva a um rápido fortalecimento. No entanto, tais ligações fracas também são sensíveis a reações de calor e leve, que são preocupantes para a estabilidade do materials.

Para isso, uma equipe de pesquisadores da WPI-icredd desenvolveu um Design computacional Isso avalia rapidamente mecanóforos que contêm ligações mais fortes, mas criam polímeros sensíveis à força.

O grupo de pesquisa do professor Maeda vem desenvolvendo o método da reação induzida pela força synthetic (AFIR) que explora automaticamente as vias de reação. O professor associado Jiang desenvolveu um método estendido (ex-AFIR) que analisa reações induzidas pela força mecânica e prevê a força necessária para quebrar Correntes de polímero.

Ao combinar o método ex-AFIR com o aprendizado de máquina, desenvolvido pelo professor assistente Staub e pelo Professor Varnek, eles rastrearam rapidamente candidatos a mecanóforo e identificaram os principais parâmetros moleculares. A pesquisa foi publicada em Ciência química.

Primeiro, os candidatos moleculares foram pré -selecionados para capacidade de rotação limitada desejável (<90 °). Eles previram que a rotação limitada dentro de uma cadeia de polímeros introduzia efetivamente "nós" onde a cadeia pode quebrar sob força fraca, apesar de ter vínculos fortes.

Ex-afir foi então usado para derivar a força de ativação (f_agir), a força necessária para iniciar a geração radical desses candidatos com um nó. Por fim, ex-afir foi combinado com aprendizado de máquina Para calcular as vias de decaimento dos radicais e identificar mecânicos que podem gerar radicais de vida longa.

Os géis foram sintetizados a partir de mecanóforos selecionados e investigados para confirmar a praticidade desse método de seleção computacional.

Esses géis apresentaram reforço rápido e os mecanóforos permaneceram inalterados após o aquecimento a 80 ° C ou exposição à luz UV por 10 horas, como esperado, destacando a significância da estrutura do tipo nó. Além disso, os géis sintetizados a partir de mecanóforos que foram filtrados com base em simulações computacionais também foram investigados.

Como previsto, esses géis falharam em demonstrar qualidades de auto-fortalecimento, validando ainda mais a praticidade dessa abordagem de design computacional. Esses resultados destacam as emocionantes oportunidades de integrar cálculos computacionais para avançar rapidamente tecnologias que, de outra forma, teriam muito tempo.

O vídeo compara a geração radical de hidrogéis sugerido (DN-CAM) e filtrado (DN-CY e DN-PIN) por simulações computacionais. Pré-disperso nos géis são íons ferrosos (Fe²⁺) e laranja de xileno.

Os radicais gerados a partir das redes de polímero quebradas oxidam os íons ferrosos em íons férricos (Fe²⁺ → Fe³⁺) que então complexam com laranja de xileno para produzir uma cor laranja distinta.

Como as simulações computacionais sugeriram, apenas o gel DN-CAM produziu uma mudança de cor notável, sugerindo que os outros géis geram radicais instáveis ​​que se deterioram rapidamente.