Инженеры создали сверхпрочный клей, который схватывается под водой за 10 секунд и становится прочнее со временем

Учёные разработали необычный подводный клей, который способен быстро соединять поверхности даже в воде, сохранять прочность в течение нескольких лет и выдерживать многократное отсоединение и повторное приклеивание.

Создание надёжных клеевых соединений под водой остаётся сложной инженерной задачей. Вода покрывает поверхности тонким слоем, который препятствует непосредственному контакту клея с материалом. Кроме того, вода может постепенно разрушать клеевой слой и снижать прочность соединения. Эта проблема особенно важна при обслуживании подводной инфраструктуры, включая трубопроводы и другие конструкции.

В новом исследовании инженеры разработали материал, который использует воду не как препятствие, а как часть механизма формирования прочного соединения. Клей относится к классу супрамолекулярных ионных жидкостей и работает благодаря процессу самосборки, запускаемому обменом растворителя.

Супрамолекулярная химия изучает структуры, которые образуются в результате взаимодействия множества молекул. В данном случае исследователи использовали комбинацию гибких и жёстких молекулярных компонентов и создали супрамолекулярную ионную жидкость, получившую обозначение BP16TPB.

Затем материал смешали с диметилсульфоксидом, или DMSO, который хорошо растворяет BP16TPB и способствует разделению части его молекул на подвижные заряженные частицы.

Когда полученный состав контактирует с водой, эти частицы начинают самостоятельно перестраиваться и формировать устойчивую структуру непосредственно на поверхности. В процессе между компонентами возникают водородные связи, а также взаимодействия, известные как π–π-стекинг.

Важную роль играет и эффект Марангони, связанный с перемещением жидкости под действием различий поверхностного натяжения. Именно этот эффект, в частности, лежит в основе хорошо известного явления «слёз вина», когда жидкость стекает по стенкам бокала характерными полосами.

Однако главным преимуществом нового материала исследователи считают его выраженные гидрофобные свойства. Они позволяют вытеснять слой воды, который обычно образуется между клеем и подводной поверхностью и препятствует надёжному сцеплению.

Сочетание гидрофобности и нековалентных взаимодействий позволяет клею непосредственно на поверхности переходить из текучего состояния в плотную водостойкую структуру. В результате материал быстро превращается из жидкого прекурсора в прочный клеевой слой.

Исследователи испытали состав на различных материалах, находившихся под водой, включая керамику, эпоксидные материалы и пластики. Во всех этих испытаниях клей продемонстрировал высокую скорость схватывания и значительную прочность.

Через всего 10 секунд после отверждения под водой прочность клеевого соединения достигала 1,1 мегапаскаля. По утверждению авторов исследования, этот показатель значительно превышает характеристики традиционных подводных клеев.

Материал также продемонстрировал долговечность. В одном из экспериментов клеевое соединение удерживало груз массой 2 килограмма на протяжении более трёх лет непрерывного нахождения под водой.

По словам исследователей, этот длительный эксперимент стал подтверждением способности материала противостоять разрушению границы раздела водой и постепенной деформации клеевого слоя в течение нескольких лет.

Новый клей оказался и частично многоразовым. Учёные несколько раз отсоединяли и снова соединяли поверхности непосредственно под водой. После восьми циклов материал по-прежнему сохранял способность надёжно фиксировать поверхности.

Кроме того, состав сохранял работоспособность в различных электролитах, включая кислые, щелочные и солёные растворы. При этом у материала обнаружилось ограничение: его свойства начинают ухудшаться при температурах выше 70 градусов Цельсия.

По мнению исследователей, разработанный материал может стать основой для нового поколения адаптивных клеевых систем, способных работать в сложных условиях. Подобные технологии потенциально могут применяться при ремонте и обслуживании подводных конструкций, морской инфраструктуры и других объектов, где традиционные клеи теряют эффективность из-за присутствия воды.

При этом результаты пока демонстрируют прежде всего лабораторную работоспособность технологии. Для практического применения потребуется проверить её эффективность при длительной эксплуатации в реальных морских условиях и на различных конструкционных материалах.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.