Een leiding vol water, een gat van twee centimeter breed, de druk die het lek naar buiten duwt en een zacht materiaal dat het vrijwel onmiddellijk sluit. Het tafereel lijkt uit een laboratorium te komen dat is ontworpen om zelfs de meest sceptische mensen te overtuigen, zij die bij elk nieuw ‘revolutionair materiaal’ hun wenkbrauwen optrekken en wachten op het echte bewijs. Deze keer is het bewijs er: een onderwaterkleefgel ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Hokkaido heeft een adhesiesterkte bereikt van meer dan 1 megapascal, een waarde die ongeveer tien keer hoger is dan veel onderwaterhydrogels die tot nu toe in de literatuur zijn beschreven.
Het resultaat komt van heel concreet werk, ook al gaan er zware woorden schuil als datamining, zelfklevende eiwitten en machinaal leren. De groep analyseerde duizenden eiwitten die in de natuur aanwezig zijn, en zocht in hun sequenties naar die kleine patronen waardoor sommige organismen zelfs in natte, zoute, onstabiele omgevingen aan oppervlakken gehecht kunnen blijven. Vanuit die biologische catalogus werden synthetische hydrogels ontworpen, vervolgens onder water getest, gecorrigeerd, heroverwogen en geoptimaliseerd met voorspellende modellen.
Van natuurlijke eiwitten tot 180 hydrogels die onder water zijn getest
De onderzoekers begonnen met ongeveer 24.700 natuurlijke adhesieve eiwitten uit bacteriën, eukaryoten, archaea en virussen. Organismen die heel ver van elkaar verwijderd zijn, met verschillende evolutionaire geschiedenissen, verenigd door een waardevol vermogen: zich te hechten in omgevingen waar water de neiging heeft overal te infiltreren en bijna elke band kwetsbaar maakt. Binnen deze sequenties kwamen terugkerende motieven naar voren, combinaties van aminozuren die kunnen suggereren hoe polymeernetwerken kunnen worden gebouwd die geschikter zijn voor adhesie onder moeilijke omstandigheden.
Van daaruit viel het werk op de laboratoriumbank. Er werden 180 hydrogels met verschillende polymeerstructuren gesynthetiseerd en elke hydrogel werd gemeten om te zien hoe goed deze onder water hechtte. De verzamelde gegevens werden gebruikt om machine learning-modellen te trainen, die nieuwe combinaties aangaven om te proberen. Na drie cycli van voorspelling en experimentele verificatie overschreed het beste materiaal de drempel van 1 MPa, een niveau dat een belangrijke sprong betekent voor zachte lijmen die zijn ontworpen voor vochtige of ondergedompelde omgevingen.
Een hydrogel, gezegd zonder dat het klinkt als iets uit een universiteitsboek dat halverwege open is gelaten, is een zacht materiaal dat bestaat uit water en polymere netwerken. We vinden het al op veel gebieden, van contactlenzen tot biomedisch onderzoek. Het lastige komt als je hem vraagt zich onder water als lijm te gedragen. Water dringt tussen het materiaal en het oppervlak, verstoort het contact en verzwakt de hechting. Hier slaagt de nieuwe gel erin die barrière weg te duwen en zich met verrassende kracht te hechten.
Van de stempel die een volwassene kan ondersteunen tot de eend die op de rots is achtergelaten
Om een idee te geven gebruikt Hokkaido University een eenvoudig beeld: een stukje van deze gel ter grootte van een postzegel, ongeveer 2,5 centimeter per zijde, zou theoretisch het gewicht van een volwassene van ongeveer 63 kilo kunnen dragen. Het is een vergelijking die moet worden genomen voor wat het is, gekoppeld aan specifieke testomstandigheden, maar het helpt om de omvang van het resultaat te begrijpen.
De meest merkwaardige demonstratie betreft een badeend. De gel hield haar meer dan een jaar lang vastgekleefd aan een rots, blootgesteld aan golven en getijden. Het lijkt een bijna komisch detail, en in feite werkt het precies daarom: de gele eend, een bad- en speelobject, wordt een kleine visuele test van weerstand. Het materiaal blijft daar, terwijl de zee haar werk blijft doen.
Dan zijn er de minder fotogenieke en nuttiger tests. De gel dichtte snel een gat van 2 centimeter af in een pijp gevuld met water onder druk. In andere tests vertoonde het hechting op verschillende oppervlakken, van glas tot titanium, van keramiek tot plastic, en behield het zijn prestaties zelfs in omstandigheden met een variabel zoutgehalte, van eenvoudig water tot omgevingen die vergelijkbaar zijn met zeewater.
Het voordeel van de methode schuilt hier ook in: de machine hielp een zoektocht te verfijnen die, als hij alleen met vallen en opstaan was uitgevoerd, lang en verspreid zou zijn geworden. Er zijn veel mogelijke combinaties tussen chemische componenten, gelstructuur en onderwatergedrag. Machine learning wees de meest veelbelovende formuleringen aan, waarna het laboratorium de rest deed. Het digitale gedeelte suggereerde, het fysieke bewijs besliste.
De mogelijke toepassingen zijn breed. In de geneeskunde zou een kleefmiddel dat op natte weefsels kan werken nuttig kunnen worden bij operaties, geavanceerde wondverbanden of het herstel van weefsels die moeilijk te behandelen zijn met traditionele systemen. In de zee zou een dergelijk materiaal kunnen helpen bij het in stand houden van ondergedompelde infrastructuur, sensoren, instrumenten voor diep onderzoek en zachte robotica-apparaten.
Het onderzoek wijst ook op een ander praktisch aspect: de gebruikte componenten zijn in de handel verkrijgbaar. Dit maakt het werk interessanter, omdat het het materiaal dichter bij een mogelijke toekomstige productie brengt. Er zullen andere tests nodig zijn: duurzaamheid, veiligheid, vuile oppervlakken, klinisch en industrieel gebruik. Voorlopig houdt de gel stand. Zelfs onder water.
Mogelijk bent u ook geïnteresseerd in:
