סוג חדש של הידרו-ג’ל עשוי לסלול דרך חדשה לייצור סחוס מלאכותי וליישומים אחריםהסוד להכנת חומר פחות שביר הוא לעשותו שביר יותר – לפחות ברמה המיקרוסקופית. כשחומר כמו זכוכית מתנפץ, רק המולקולות המצויות על פני השטח של הרסיסים מעורבות בתהליך. מבנה החומר שבתוך כל אחד מן השברים נותר למעשה ללא כל שינוי. כדי להקטין את השבירות של חומרים, חוקרים מתכננים אותם כך שהמתח המכני יתפזר גם מתחת לפני השטח. הפיזור הזה מונע את התקדמות הסדקים ומונע מראש את שבירת החפץ.
קרדיט: Thomas Fuchs
זיגאנג סואו מאוניברסיטת הרווארד ועמיתיו יישמו את העיקרון הזה על משפחה של חומרים הקרויים הידרו-ג’לים. חומרים אלה מורכבים ממים ומרשת של מולקולות ארוכות הקרויות פולימרים, המשמשות כפיגומים. ההידרו-ג’לים של סואו דומים בתכונות החיצוניות שלהם לגומי. הם מסוגלים להימתח לאורך גדול פי 20 מאורכם המקורי בלי להיקרע. בהשוואה, סרט גומי רגיל נקרע לאחר שמותחים אותו פי שישה, אומר סואו. החומר החדש גם קשיח במידה יוצאת מן הרגיל, תכונה שבמונחים טכניים משמעותה היא היכולת לספוג לחץ, מתיחות או פגיעה ממכה בלי להישבר. האנרגיה הדרושה לשבור את ההידרו-ג’ל החדש גבוהה פי 10 מחומרים דומים אחרים.
הידרו-ג’לים שהוכנו עד כה אינם קשיחים והם קורסים במכה כמו טופו. סוד ההידרו-ג’ל של סואו טמון בכך שהוא מורכב משני סוגים של שלד פולימרי ולא אחד. הסוג הראשון מיוצר משרשרות של פחמימות המופקות מאצות. השרשרות מוחזקות יחדיו באמצעות יוני סידן בעלי מטען חשמלי חיובי, והן מתארגנות בדומה לשני צדיו של רוכסן.
פיגום משני בנוי מפולימר סינתטי שהשרשרות הארוכות שלו מתחברות זו לזו בקשרים חזקים. כשהחומר מקבל מכה, השרשרות המופקות מאצות נפרדות זו מזה ויוני הסידן מתפזרים במים. הרשת המשנית מפזרת את המתח ומוליכה אותו עמוק יותר מתחת לפני שטח הסדק. באופן זה האנרגיה מתפזרת בנפח גדול יותר של חומר. לאחר שהכוח החיצוני פוסק, החומר בונה את עצמו מחדש מפני שיוני הסידן נמשכים למטענים השליליים שעל שרשרות האצה הפרומות ורוכסים מחדש את השלד הראשי.
החומר החדש עדיין אינו בשל לשימושים מידיים אבל הוא מוכיח שהידרו-ג’לים עשויים להיות חזקים דיים כדי לשמש ביישומים כמו הנדסת רקמות ותותבים. “כיום, קשה מאוד להחליף סחוס פגוע,” אומר סואו. כל תחליף מלאכותי חייב להיות חזק לפחות כמו החומר הטבעי. סואו ועמיתיו פרסמו את עבודתם ב-6 בספטמבר 2012 בכתב העת נייצ’ר.
האנרגיה הדרושה לשבירת ההידרו-ג’ל החדש היא “באמת מרשימה” אומר ג’יאן פינג גונג מאוניברסיטת הוקאידו שהוביל ב-2003 את הצוות שהכין לראשונה הידרו-ג’לים בעלי רשת פנימית כפולה. אבל גונג מדגיש שתהליך התיקון העצמי של החומר החדש אטי, נדרשות לכך כמה שעות, ואינו מלא. יישומים מעשיים ידרשו חומרים המסוגלים לתקן את עצמם באופן מלא בפרק זמן קצר יותר.
