I ricercatori di Princeton hanno creato un nuovo tipo di idrogel riciclabile, ma allo stesso tempo sufficientemente resistente e stabile per l'uso pratico (e il riutilizzo).
Essendo reti flessibili di catene polimeriche soffuse dall'acqua, gli idrogel possiedono proprietà eccellenti tra cui morbidezza, elasticità e biocompatibilità. Di conseguenza, i materiali morbidi hanno già trovato un uso diffuso come lenti a contatto e medicazioni per ferite. Gli idrogel sono inoltre molto promettenti per i sistemi di somministrazione dei farmaci, per l'agricoltura e per l'imballaggio alimentare, tra le altre applicazioni.
Sfortunatamente, gli idrogel convenzionali pongono problemi di inquinamento ambientale perché non possono essere riciclati o riprocessati in modo efficace. Gli idrogel si degradano anche con l'uso a lungo termine. I ricercatori hanno affermato che queste limitazioni derivano dalla struttura dei materiali.
Gli idrogel convenzionali fanno affidamento sui legami chimici per la loro fermezza e capacità di assorbire acqua e altri solventi. A livello chimico, questi legami sono reticolati, il che significa che si formano legami tra diverse molecole polimeriche all’interno dell’idrogel. Questa reticolazione, caratteristica delle resine sottoposte a polimerizzazione o vulcanizzazione della gomma, conferisce agli idrogel flessibilità e resistenza. Ma ciò li rende anche estremamente difficili da separare in componenti da riciclare.
L'autrice principale dello studio, Xiaohui Xu, ricercatrice post-dottorato, ha lavorato in precedenza con idrogel da utilizzare nella purificazione dell'acqua e si chiedeva se potesse creare un idrogel più sostenibile dal punto di vista ambientale. Xu e i suoi colleghi hanno adottato un nuovo approccio alla costruzione di idrogel. Invece di fare affidamento sui legami chimici per collegare i diversi polimeri, i ricercatori hanno deciso di sfruttare la separazione di fase, un fenomeno familiare in cui liquidi misti, come olio e acqua, si separano in componenti.
"Gli idrogel offrono enormi benefici per la società, ma la loro mancanza di sostenibilità si è profilata come un problema significativo", ha affermato Xu, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Rodney Priestley, professore di ingegneria chimica e biologica a Princeton. "In questo studio, abbiamo dimostrato come sfruttare la separazione di fase può portare a nuovi tipi di idrogel che sono durevoli e riciclabili e hanno ancora buone proprietà meccaniche."
I ricercatori hanno descritto il processo in uno studio intitolato "Gel supramolecolari resistenti e riciclabili con separazione di fase tramite un ciclo di disidratazione-idratazione", pubblicato su JACS Au a settembre.
Per realizzare il nuovo idrogel, i ricercatori hanno formulato polimeri con una relazione complessa e variabile con l’acqua. Le molecole polimeriche sono lunghe catene di molecole più piccole (chiamate monomeri). I ricercatori hanno creato polimeri che amano l’acqua in alcune sezioni della catena e che respingono l’acqua in altre sezioni. Quando hanno aggiunto acqua alla miscela polimerica, parti dei polimeri hanno assorbito l’acqua, mentre altre parti l’hanno respinta. Questa tensione ha dato all'idrogel la sua forza strutturale.
A differenza degli idrogel convenzionali, la resistenza si basa sulle caratteristiche fisiche piuttosto che sui legami chimici tra i polimeri. Pertanto, riciclare l'idrogel nei suoi polimeri componenti è relativamente facile, così come disidratare e reidratare ripetutamente il materiale.
Inoltre, ha affermato Xu, il processo consente agli ingegneri di personalizzare le caratteristiche di un idrogel regolando i componenti dei polimeri. Il gruppo di ricerca ne ha approfittato per creare un idrogel che potesse essere tagliato e modellato in qualsiasi forma desiderata. Per la ricerca, Xu ha creato un polipo.
"Xiaohui ha utilizzato la separazione di fase come un modo per controllare la morfologia e, in definitiva, le proprietà di questi materiali idrogel", ha affermato Priestley, autore senior dell'articolo e preside della Graduate School di Princeton. "Questo lavoro dimostra un approccio rispettoso dell'ambiente per produrre idrogel resistenti e riutilizzabili."
I ricercatori di Princeton hanno messo alla prova il nuovo idrogel, testandone la stabilità in condizioni estreme acide e alcaline e in aria e acqua. Nel complesso, l'idrogel ha resistito e ha funzionato come previsto.
Con ulteriori test e sviluppi, il nuovo materiale potrebbe rendere le applicazioni esistenti ed emergenti per gli idrogel, come muscoli artificiali e robot morbidi per operazioni sicure intorno agli esseri umani, più sostenibili e rispettose dell'ambiente.
"Il nostro approccio generale agli idrogel riciclabili potrebbe aiutare ad espandere le loro applicazioni in tutti i tipi di aree", ha affermato Xu. "I benefici degli idrogel possono ora essere realizzati meglio senza costi ambientali."
Xu ha detto che a lungo termine il gruppo di ricerca sta esplorando se gli idrogel potrebbero eventualmente servire come sostituti della plastica in molte applicazioni. Se così fosse, gli idrogel avanzati potrebbero diventare una soluzione riciclabile all'inquinamento causato dalla plastica che minaccia gli oceani.
Ulteriori informazioni: Xiaohui Xu et al, Gel supramolecolari a fase separata resistenti e riciclabili tramite un ciclo di disidratazione-idratazione, JACS Au (2023). DOI:10.1021/jacsau.3c00326
Fornito dall'Università di Princeton
