An anisotropic hydrogel with electrostatic repulsion between cofacially aligned nanosheets

材料科学 纳米片 静电学 纳米技术 聚合物 复合材料 复合数 各向异性 化学物理 化学 物理 光学 物理化学
作者
Mingjie Liu,Yasuhiro Ishida,Yasuo Ebina,Takayoshi Sasaki,Takaaki Hikima,Masaki Takata,Takuzo Aida
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:517 (7532): 68-72 被引量:494
标识
DOI:10.1038/nature14060
摘要

Machine technology frequently puts magnetic or electrostatic repulsive forces to practical use, as in maglev trains, vehicle suspensions or non-contact bearings. In contrast, materials design overwhelmingly focuses on attractive interactions, such as in the many advanced polymer-based composites, where inorganic fillers interact with a polymer matrix to improve mechanical properties. However, articular cartilage strikingly illustrates how electrostatic repulsion can be harnessed to achieve unparalleled functional efficiency: it permits virtually frictionless mechanical motion within joints, even under high compression. Here we describe a composite hydrogel with anisotropic mechanical properties dominated by electrostatic repulsion between negatively charged unilamellar titanate nanosheets embedded within it. Crucial to the behaviour of this hydrogel is the serendipitous discovery of cofacial nanosheet alignment in aqueous colloidal dispersions subjected to a strong magnetic field, which maximizes electrostatic repulsion and thereby induces a quasi-crystalline structural ordering over macroscopic length scales and with uniformly large face-to-face nanosheet separation. We fix this transiently induced structural order by transforming the dispersion into a hydrogel using light-triggered in situ vinyl polymerization. The resultant hydrogel, containing charged inorganic structures that align cofacially in a magnetic flux, deforms easily under shear forces applied parallel to the embedded nanosheets yet resists compressive forces applied orthogonally. We anticipate that the concept of embedding anisotropic repulsive electrostatics within a composite material, inspired by articular cartilage, will open up new possibilities for developing soft materials with unusual functions.
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