Гидрогели — это мягкие, проницаемые материалы, состоящие из полимерных сетей и воды. Они перспективны для биомедицинских применений. Группа профессора Гонга из WPI-ICReDD разработала технологию двойных сетчатых гидрогелей, похожих по свойствам на мышцы: при механической нагрузке они самопроизвольно укрепляются. Когда материал растягивают или сжимают, хрупкая полимерная сеть рвется, образуя свободные радикалы. Эти радикалы реагируют с мономерами, заранее растворенными в геле, и создают новую, более прочную сеть.

Недавно ученые обнаружили, что если добавить в хрупкую сеть особые молекулы — механофоры, содержащие слабые связи, — разрушение полимеров происходит эффективнее, и гель укрепляется быстрее. Но у таких связей есть недостаток: они реагируют не только на механическое воздействие, но и на тепло или свет, что снижает стабильность материала.

Механофоры — молекулярные фрагменты в полимерах, которые специально designed так, чтобы разрушаться под механической нагрузкой, запуская полезные реакции (например, образование новых связей).

Чтобы решить эту проблему, команда WPI-ICReDD разработала компьютерную модель для поиска механофоров с прочными связями, которые при этом легко рвутся под нагрузкой. Группа профессора Маэды использовала метод AFIR, который автоматически анализирует химические реакции. Доцент Цзян усовершенствовал его (EX-AFIR), добавив расчет силы, необходимой для разрыва полимерных цепей. А ассистент профессор Штауб и профессор Варнек применили машинное обучение, чтобы быстро отобрать лучшие кандидаты и выявить ключевые параметры молекул.

Результаты опубликованы в издании Chemical Science.

Сначала ученые отобрали молекулы с ограниченной вращательной способностью (менее 90°). Они предположили, что такие «узлы» в полимерной цепи позволят ей рваться даже при слабой нагрузке, несмотря на прочные связи. Затем с помощью EX-AFIR рассчитали, какая сила (Fact) нужна для образования радикалов. Наконец, машинное обучение помогло предсказать, какие радикалы окажутся стабильными и смогут формировать новую сеть.

Гидрогели с выбранными механофорами синтезировали и проверили. Как и предсказывали расчеты, они быстро укреплялись при нагрузке, а сами механофоры не разрушались даже после 10 часов УФ-облучения или нагрева до 80°C. Для сравнения, гели с отвергнутыми моделями механофоров не показали усиления — это подтвердило точность метода.

В приложенном видео сравнивают образование радикалов в трех гелях: DN-Cam (одобрен моделью), DN-Cy и DN-Pin (отбракованы). В материал добавили ионы железа (Fe²⁺) и ксиленовый оранжевый. Радикалы окисляют железо до Fe³⁺, которое реагирует с красителем, давая оранжевый цвет. Только DN-Cam изменил окраску — значит, в других гелях радикалы мгновенно распадались.

Польза исследования

• Биомедицина: Гидрогели с контролируемым усилением могут использоваться в имплантах, которые адаптируются к нагрузкам в теле (например, искусственные хрящи).
• Робототехника: Мягкие актуаторы или сенсоры, которые «тренируются» и становятся прочнее при эксплуатации.
• Устойчивость материалов: Отказ от свето- и термочувствительных связей повысит долговечность гидрогелей в реальных условиях.

Метод EX-AFIR + машинное обучение требует значительных вычислительных ресурсов. Для широкого внедрения нужно либо упростить алгоритмы, либо доказать, что экономия времени на эксперименты компенсирует затраты на расчеты.

Ранее ученые разработали устройство для добычи воды из воздуха с помощью гидрогеля.