Keras Namun Dapat Diregangkan: Para Ilmuwan Menciptakan Materials Baru yang “Tidak Dapat Dipecahkan”.

Para peneliti telah menciptakan kelas bahan baru yang disebut “gel kaca” yang sekeras polimer kaca, namun – jika Anda menerapkan kekuatan yang cukup – dapat meregang hingga lima kali panjang aslinya, dan tidak patah. Hal utama yang membedakan gel kaca adalah bahwa gel kaca lebih dari 50% berbentuk cair, sehingga menjadikannya penghantar listrik yang lebih efisien dibandingkan plastik biasa yang memiliki karakteristik fisik serupa. Kredit: Meixiang Wang, Universitas Negeri NC

Para peneliti telah mengembangkan bahan kelas baru yang dikenal sebagai gel kaca, yang menggabungkan kekerasan polimer kaca dengan kemampuan merenggangkan gel.

Bahan-bahan ini mempertahankan lebih dari 50% kandungan cairan, sehingga meningkatkan elastisitas dan sifat perekatnya. Proses fabrikasi melibatkan pencampuran prekursor polimer dengan cairan ionik dan pengawetan dengan sinar ultraviolet, sehingga memungkinkan produksi yang mudah dan berpotensi untuk aplikasi yang luas dalam industri seperti elektronik dan perangkat medis.

Para Ilmuwan Menciptakan Bahan Kelas Baru yang Disebut “Gel Kaca”

Para ilmuwan telah menemukan bahan baru yang disebut “gel kaca”, yang sangat keras dan sulit dipecahkan meskipun bahan tersebut terdiri dari lebih dari 50% cairan. Ditambah dengan fakta bahwa gel kaca mudah diproduksi, bahan ini menjanjikan untuk beragam aplikasi.

Gel dan polimer kaca adalah kelas bahan yang secara historis dipandang berbeda satu sama lain. Polimer kaca bersifat keras, kaku, dan seringkali rapuh. Mereka digunakan untuk membuat benda-benda seperti botol air atau jendela pesawat. Gel – seperti lensa kontak – mengandung cairan dan lembut serta elastis.

Desain Materials yang Inovatif

“Kami telah menciptakan kelas materials yang kami sebut gel kaca, yang sekeras polimer kaca, tetapi – jika Anda menerapkan kekuatan yang cukup – dapat meregang hingga lima kali panjang aslinya, daripada pecah,” kata Michael Dickey, penulis korespondensi dari sebuah makalah tentang pekerjaan tersebut dan Profesor Teknik Kimia dan Biomolekuler Camille dan Henry Dreyfus di Universitas Negeri Carolina Utara. “Terlebih lagi, setelah bahan diregangkan, Anda bisa mengembalikannya ke bentuk aslinya dengan memberikan panas. Selain itu, permukaan gel kaca memiliki daya rekat yang tinggi, hal ini tidak biasa terjadi pada bahan keras.”

“Hal utama yang membedakan gel kaca adalah bahwa gel kaca lebih dari 50% berbentuk cair, sehingga menjadikannya konduktor listrik yang lebih efisien dibandingkan plastik biasa yang memiliki karakteristik fisik serupa,” kata Meixiang Wang, salah satu penulis utama makalah dan mahasiswa pascadoktoral. peneliti di NC State.

“Mengingat banyaknya sifat unik yang dimilikinya, kami optimis bahwa bahan-bahan ini akan bermanfaat,” kata Wang.

Produksi dan Karakteristik

Gel kaca, seperti namanya, secara efektif merupakan bahan yang menggabungkan beberapa sifat paling menarik dari polimer kaca dan gel. Untuk membuatnya, para peneliti memulai dengan prekursor cair dari polimer kaca dan mencampurkannya dengan cairan ionik. Cairan gabungan ini dituangkan ke dalam cetakan dan terkena sinar ultraviolet, yang “menyembuhkan” bahan tersebut. Cetakan kemudian dikeluarkan, meninggalkan gel kaca.

“Cairan ionik adalah pelarut, seperti air, namun seluruhnya terbuat dari ion,” kata Dickey. “Biasanya ketika Anda menambahkan pelarut ke polimer, pelarut tersebut akan memisahkan rantai polimer, membuat polimer menjadi lunak dan dapat diregangkan. Itu sebabnya lensa kontak basah bersifat lentur, sedangkan lensa kontak kering tidak. Dalam gel kaca, pelarut mendorong rantai molekul dalam polimer terpisah, sehingga dapat diregangkan seperti gel. Namun, ion-ion dalam pelarut tertarik kuat pada polimer, sehingga mencegah pergerakan rantai polimer. Ketidakmampuan rantai untuk bergerak inilah yang membuatnya menjadi seperti kaca. Hasil akhirnya adalah materials menjadi keras karena adanya gaya tarik menarik, namun masih mampu meregang karena adanya jarak ekstra.”

Keserbagunaan dan Potensi Penerapan

Para peneliti menemukan bahwa gel kaca dapat dibuat dengan berbagai polimer dan cairan ionik yang berbeda, meskipun tidak semua kelas polimer dapat digunakan untuk membuat gel kaca.

“Polimer yang bermuatan atau polar menjanjikan gel kaca, karena mereka tertarik pada cairan ionik,” kata Dickey.

Dalam pengujiannya, para peneliti menemukan bahwa gel kaca tidak menguap atau mengering, meskipun terdiri dari 50-60% cairan.

“Mungkin karakteristik yang paling menarik dari gel kaca adalah daya rekatnya,” kata Dickey. “Karena meskipun kami memahami apa yang membuat bahan-bahan tersebut keras dan dapat diregangkan, kami hanya dapat berspekulasi tentang apa yang membuat bahan-bahan tersebut begitu lengket.”

Penerapan Praktis dan Pandangan Masa Depan

Para peneliti juga berpendapat bahwa gel kaca menjanjikan aplikasi praktis karena mudah dibuat.

“Membuat gel yang bening merupakan proses sederhana yang dapat dilakukan dengan cara mengeringkannya dalam cetakan jenis apa pun atau dengan mencetaknya menggunakan mesin cetak 3D,” kata Dickey. “Sebagian besar plastik dengan sifat mekanis yang serupa mengharuskan produsen untuk membuat polimer sebagai bahan baku dan kemudian mengangkut polimer tersebut ke fasilitas lain tempat polimer tersebut dicairkan dan dibentuk menjadi produk akhir.

“Kami sangat antusias melihat bagaimana gel kaca dapat digunakan dan terbuka untuk bekerja sama dengan kolaborator dalam mengidentifikasi aplikasi bahan-bahan ini.”

Makalah, “Glassy Gels Toughened by Solvent,” diterbitkan pada 19 Juni di jurnal Alam.

Referensi: “Gel kaca yang diperkuat dengan pelarut” oleh Meixiang Wang, Xun Xiao, Salma Siddika, Mohammad Shamsi, Ethan Frey, Wen Qian, Wubin Bai, Brendan T. O'Connor dan Michael D. Dickey, 19 Juni 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-024-07564-0

Penulis utama makalah ini adalah Xun Xiao dari College of North Carolina di Chapel Hill. Makalah ini ditulis bersama oleh Salma Siddika, mahasiswa Ph.D. di NC State; Mohammad Shamsi, mantan mahasiswa Ph.D. di NC State; Ethan Frey, mantan mahasiswa S1 di NC State; Brendan O'Connor, profesor teknik mesin dan kedirgantaraan di NC State; Wubin Bai, profesor ilmu fisika terapan di UNC; dan Wen Qian, profesor riset asosiasi teknik mesin dan materials di College of Nebraska-Lincoln.

Pekerjaan ini sebagian didukung oleh dana dari Coastal Research Institute.