材料科学：凍結鋳造と塩析の相乗効果による高強度・高靭性ヒドロゲル

腱などの天然の耐荷重性材料は、含水量が約70％と高いが、複数の長さスケールにわたって異方性構造が階層的に集合しているため、年間100万サイクル以上使っても強度と靭性が維持される。合成ヒドロゲルは、機械的性能を向上させるために、電界紡糸、押し出し成形、コンポジット化、凍結鋳造、自己集合、機械的伸長などの方法を用いて作製されている。しかし、腱とは対照的に、同様に高含水量の多くのヒドロゲルは、高い強度、靭性、耐疲労性を示さない。今回我々は、凍結を用いる塩析処理を使って複数の長さスケールの階層的ヒドロゲル構造を形成する戦略を報告する。生成されたポリビニルアルコール（PVA）ヒドロゲルは異方性が高く、マイクロメートルスケールのハニカム状細孔壁からなり、さらにこれらの細孔壁は相互接続したナノフィブリルメッシュからなる。これらのヒドロゲルの含水量は70～95％で、その特性は他の高靭性ヒドロゲルや天然の腱にも引けを取らない。例えば、極限応力は23.5 ± 2.7 MPa、ひずみレベルは2900 ± 450％、靭性は210 ± 13 MJ m⁻³、破壊エネルギーは170 ± 8 kJ m⁻²、疲労下限界は10.5 ± 1.3 kJ m⁻²であった。今回の戦略は、他のポリマーにも一般化可能で、構造的ヒドロゲルの応用可能性を、より厳しい機械的荷重が関与する状況に拡張できると考えられる。

目次へ戻る