Мы редко задумываемся о клее, пока не отклеится подошва обуви или не развалится какая-нибудь вещь. Но для инженеров существует куда более серьёзная проблема: большинство клеящих материалов плохо работают под водой.
Причина в самой воде. Её молекулы покрывают поверхность тонким слоем и мешают клею вступить с ней в тесный контакт. Кроме того, вода постепенно размывает и разрушает само соединение.
Исследователи предложили необычный способ обойти эту проблему: создать материал, которому вода не мешает, а, наоборот, помогает окончательно сформировать прочную структуру.
Разработка описана в журнале Nature Communications.
В основе нового клея лежит особая система из множества взаимодействующих молекул. Исследователи объединили гибкие и жёсткие молекулярные компоненты, а затем смешали полученный материал с диметилсульфоксидом — растворителем, который разделяет часть молекул на подвижные заряженные частицы.
Самое интересное начинается при контакте с водой.
Под её воздействием частицы перестраиваются и снова соединяются между собой, образуя плотную устойчивую структуру. В этом процессе участвуют водородные связи и взаимодействия между молекулярными кольцами.
Дополнительно работает эффект Марангони — движение жидкостей, возникающее из-за различий поверхностного натяжения. Это явление известно, например, по характерным «слезам», которые можно увидеть на стенках бокала с вином.
Но для подводного клея особенно важно другое свойство: материал очень плохо взаимодействует с водой и способен вытеснять её с поверхности. Именно тот слой воды, который обычно не позволяет клею нормально схватиться, удаляется из зоны контакта.
В результате первоначально текучее вещество прямо на месте превращается в плотную водостойкую сеть.
Исследователи испытали новый клей под водой на керамике, эпоксидных материалах и пластиках. Уже через 10 секунд после нанесения прочность соединения достигала 1,1 миллиона паскалей. По словам авторов работы, это значительно превосходит показатели традиционных подводных клеёв.
Но быстрым схватыванием дело не ограничилось.
Во время длительного испытания соединение удерживало груз массой два килограмма больше трёх лет непрерывного нахождения под водой. Исследователи считают этот эксперимент подтверждением того, что материал способен сопротивляться как разрушительному воздействию воды на границе соединения, так и постепенной деформации под постоянной нагрузкой.
Клей оказался и частично многоразовым. Его восемь раз отсоединяли и снова прикрепляли под водой, и он продолжал сохранять свои клеящие свойства.
Работал материал и в разных растворах — кислых, щелочных и солёных. Однако у него есть ограничение: температура выше 70 градусов Цельсия заметно влияет на его свойства.
Авторы исследования считают, что значение работы не ограничивается созданием ещё одного мощного подводного клея. Продемонстрированный ими принцип показывает, как можно создавать материалы, которые меняют свою структуру непосредственно в ответ на условия окружающей среды.
В данном случае главным участником процесса становится именно то вещество, которое обычно считается главным врагом клея, — вода.
