Väitös, teknillinen fysiikka, MSc Yuhuang Fang

Väitöskirjan nimi: Strengthening hydrogels through fibrillar double network

Väittelijä: Yuhuang Fang
Vastaväittäjä: professori Wim Thielemans, KU Leuven, Belgia
Kustos: Aalto-professori Olli Ikkala, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu 

Hydrogeelit ovat pehmeitä, vettä sisältäviä polymeerimateriaaleja, joita tutkitaan laajasti esimerkiksi pehmeän robotiikan, biolääketieteellisten laitteiden ja joustavien teknologioiden sovelluksiin. Pehmeyden yhdistäminen suureen lujuuteen, jäykkyyteen ja sitkeyteen on kuitenkin edelleen merkittävä haaste. Tässä väitöskirjassa tutkitaan, miten hydrogeelien sisäistä rakennetta voidaan suunnitella niiden mekaanisten ominaisuuksien parantamiseksi.

Tutkimus keskittyy agaroosiin perustuviin fibrillaarisiin kaksoisverkkoihin. Kaksoisverkkorakenteita käytetään jo laajasti hydrogeelien vahvistamiseen, mutta tässä väitöskirjassa tutkitaan uusia tapoja hallita eri verkkojen ja vahvistavien komponenttien välisiä yhteyksiä ja järjestäytymistä.

Yhdessä lähestymistavassa agaroosin fibrillaarinen verkko liitetään kemiallisesti toiseen polymeeriverkkoon. Näiden yhteyksien ansiosta verkot voivat toimia tehokkaammin yhdessä materiaalin muodonmuutoksen aikana, mikä parantaa murtolujuutta, venyvyyttä ja sitkeyttä.

Toisessa strategiassa hydrogeeliin lisätään savinanolevyjä. Kun niiden järjestäytymistä ja faasierottumista agaroosiverkon sisällä hallitaan, pehmeämpään polymeerimatriisiin voidaan muodostaa nanolevyjä sisältäviä kovia alueita. Tämä rakenne lisää huomattavasti materiaalin jäykkyyttä ja lujuutta sekä parantaa sen kykyä kestää suurinopeuksisia iskuja.

Väitöskirja osoittaa lisäksi, että nanolevyjen järjestäytymistä ja niiden välisiä yhteyksiä hallitsemalla voidaan muodostaa tehokkaita reittejä mekaanisen kuormituksen siirtymiselle materiaalissa. Näin voidaan valmistaa hydrogeelejä, joissa suuri jäykkyys yhdistyy itsekorjautuvuuteen.

Väitöskirjan keskeinen johtopäätös on, että hydrogeelien mekaanisia ominaisuuksia voidaan parantaa merkittävästi paitsi niiden kemiallista koostumusta muuttamalla myös niiden sisäistä rakennetta huolellisesti suunnittelemalla. Tässä väitöskirjassa kehitetyt strategiat tarjoavat uusia mahdollisuuksia mekaanisesti kestävien pehmeiden materiaalien kehittämiseen esimerkiksi pehmeän robotiikan ja joustavien laitteiden sovelluksiin.

Avainsanat: hydrogeelit, fibrillaarinen kaksoisverkko, savinanolevyt, faasierottuminen, mekaaniset ominaisuudet

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): Aalto-yliopiston riiputussivu.