Lompat ke konten Lompat ke sidebar Lompat ke footer

Bahan Sintetis Seperti Gelatin Meniru Peregangan dan Kekuatan Perut Lobster

Perut lobster dilapisi dengan selaput tipis dan tembus cahaya yang elastis dan sangat kuat. Pelindung bawah laut ini, seperti yang dilaporkan para insinyur MIT pada tahun 2019, terbuat dari hidrogel terkuat di alam, yang juga sangat fleksibel. Kombinasi antara kekuatan dan regangan ini membantu melindungi lobster saat ia mengacak-acak dasar laut, sekaligus memungkinkannya melenturkan tubuh ke depan dan ke belakang untuk berenang.

Skema Mengelola Bisnis Lobster - SAMUDRANESIA.ID 

Sekarang tim MIT yang terpisah telah membuat bahan berbasis hidrogel yang meniru struktur perut lobster. Para peneliti menjalankan materi melalui serangkaian uji peregangan dan benturan, dan menunjukkan bahwa, mirip dengan perut lobster, bahan sintetis sangat "tahan lelah", mampu menahan regangan dan tekanan berulang tanpa robek.

Jika proses fabrikasi dapat ditingkatkan secara signifikan, bahan yang terbuat dari hidrogel nano dapat digunakan untuk membuat jaringan pengganti yang elastis dan kuat seperti tendon dan ligamen buatan.

Hasil tim dipublikasikan di jurnal Matter . Rekan penulis MIT makalah ini termasuk postdocs Jiahua Ni dan Shaoting Lin; mahasiswa pascasarjana Xinyue Liu dan Yuchen Sun; profesor aeronautika dan astronautika Raul Radovitzky; profesor kimia Keith Nelson; profesor teknik mesin Xuanhe Zhao; dan mantan ilmuwan riset David Veysset PhD '16, sekarang di Universitas Stanford; bersama dengan Zhao Qin, asisten profesor di Universitas Syracuse, dan Alex Hsieh dari Laboratorium Penelitian Angkatan Darat.

Sentuhan alam

Pada tahun 2019, Lin dan anggota grup Zhao lainnya mengembangkan jenis baru bahan tahan lelah yang terbuat dari hidrogel - kelas bahan seperti gelatin yang terutama terbuat dari air dan polimer ikatan silang. Mereka membuat bahan dari serat ultrathin hidrogel, yang disejajarkan seperti banyak helai jerami yang terkumpul saat bahan itu berulang kali diregangkan. Latihan ini juga meningkatkan ketahanan lelah hidrogel.

"Pada saat itu, kami merasa serat nano dalam hidrogel penting, dan berharap dapat memanipulasi struktur fibril sehingga kami dapat mengoptimalkan ketahanan lelah," kata Lin.

Dalam studi baru mereka, para peneliti menggabungkan sejumlah teknik untuk membuat serat nano hidrogel yang lebih kuat. Prosesnya dimulai dengan electrospinning, teknik produksi serat yang menggunakan muatan listrik untuk menarik benang sangat tipis dari larutan polimer. Tim menggunakan muatan tegangan tinggi untuk memutar serat nano dari larutan polimer, untuk membentuk lapisan tipis serat nano, masing-masing berukuran sekitar 800 nanometer - sebagian kecil dari diameter rambut manusia.

Mereka menempatkan film di ruang kelembaban tinggi untuk mengelas serat individu menjadi jaringan yang kokoh dan saling berhubungan, dan kemudian mengatur film dalam inkubator untuk mengkristalkan serat nano individu pada suhu tinggi, selanjutnya memperkuat material.

Mereka menguji ketahanan film tersebut dengan menempatkannya di mesin yang merentangkannya berulang kali selama puluhan ribu siklus. Mereka juga membuat takik di beberapa film dan mengamati bagaimana retakan menyebar saat film diregangkan berulang kali. Dari tes ini, mereka menghitung bahwa film nanofibrous 50 kali lebih tahan lelah daripada hidrogel nanofibrous konvensional.

Sekitar waktu ini, mereka membaca dengan penuh minat sebuah studi oleh Ming Guo, profesor teknik mesin di MIT, yang mengkarakterisasi sifat mekanik perut lobster. Membran pelindung ini terbuat dari lembaran tipis kitin, bahan alami berserat yang memiliki kemiripan dengan serat nano hidrogel grup.

Guo menemukan bahwa penampang membran lobster menunjukkan lembaran kitin yang ditumpuk pada sudut 36 derajat, mirip dengan kayu lapis bengkok, atau tangga spiral. Konfigurasi yang berputar dan berlapis ini, yang dikenal sebagai struktur bouligand, meningkatkan sifat regangan dan kekuatan membran.

"Kami mengetahui bahwa struktur bouligand di perut lobster ini memiliki kinerja mekanik yang tinggi, yang memotivasi kami untuk melihat apakah kami dapat mereproduksi struktur seperti itu dalam bahan sintetis," kata Lin.

Arsitektur miring

Ni, Lin, dan anggota kelompok Zhao bekerja sama dengan lab Nelson dan kelompok Radovitzky di Institute for Soldier Nanotechnologies MIT, dan lab Qin di Syracuse University, untuk melihat apakah mereka dapat mereproduksi struktur membran bouligand lobster menggunakan film sintetis yang tahan lelah. .

"Kami menyiapkan serat nano selaras dengan electrospinning untuk meniru serat chinic yang ada di perut lobster," kata Ni.

Setelah film nanofibrous electrospinning, para peneliti menumpuk masing-masing dari lima film berturut-turut, sudut 36 derajat untuk membentuk struktur bouligand tunggal, yang kemudian dilas dan dikristalisasi untuk memperkuat material. Produk akhir berukuran 9 sentimeter persegi dan tebal sekitar 30 hingga 40 mikron - seukuran selotip kecil.

Uji regangan menunjukkan bahwa bahan yang terinspirasi lobster memiliki kinerja yang serupa dengan mitranya yang alami, mampu meregang berulang kali sambil menahan robekan dan retakan - ketahanan-kelelahan yang dikaitkan Lin pada arsitektur miring struktur.

"Secara intuitif, begitu retakan pada material menyebar melalui satu lapisan, itu terhalang oleh lapisan yang berdekatan, di mana serat disejajarkan pada sudut yang berbeda," jelas Lin.

Tim juga melakukan tes dampak mikrobalistik pada materi dengan eksperimen yang dirancang oleh kelompok Nelson. Mereka mencitrakan materi saat mereka menembaknya dengan mikropartikel dengan kecepatan tinggi, dan mengukur kecepatan partikel sebelum dan setelah merobek materi. Perbedaan kecepatan memberi mereka pengukuran langsung terhadap ketahanan benturan material, atau jumlah energi yang dapat diserapnya, yang ternyata ternyata sangat sulit 40 kilojoule per kilogram. Jumlah ini diukur dalam keadaan terhidrasi.

"Itu berarti bola baja 5 milimeter yang diluncurkan dengan kecepatan 200 meter per detik akan ditahan oleh 13 milimeter material," kata Veysset. "Ini tidak tahan seperti Kevlar, yang membutuhkan 1 milimeter, tapi materialnya mengalahkan Kevlar di banyak kategori lainnya."

Tidak mengherankan jika bahan baru ini tidak sekuat bahan antibalistik komersial. Namun, ini secara signifikan lebih kuat daripada kebanyakan hidrogel berserat nano lainnya seperti gelatin dan polimer sintetis seperti PVA. Bahannya juga jauh lebih elastis dari Kevlar. Kombinasi regangan dan kekuatan ini menunjukkan bahwa, jika fabrikasi mereka dapat dipercepat, dan lebih banyak film yang ditumpuk dalam struktur bouligand, hidrogel nanofibrous dapat berfungsi sebagai jaringan buatan yang fleksibel dan tangguh.

"Agar bahan hidrogel menjadi jaringan buatan yang menahan beban, dibutuhkan kekuatan dan deformabilitas," kata Lin. "Desain material kami dapat mencapai dua properti ini."

Riset ini didukung, sebagian, oleh MIT dan Kantor Riset Angkatan Darat AS melalui Institute for Soldier Nanotechnologies di MIT.

Powered By NagaNews.Net