“Pathways to tough yet soft materials” (Пут до жилавих, али меких материјала) назив је рада који је недавно објавио водећи научни часопис “Science”, а који, као први аутор, потписује др Никола Бошњак, некадашњи студент и дипломац Машинског факултета у Београду.
После завршених мастер студија на Машинском факултету (2015), Никола је 2020. докторирао на Технолошком институту у Њу Џерсију (New Jersey Institute of Technology) и од 2020. ради као постодкторски истраживач на америчком Универзитету Корнел (Cornell University), у групи „Механика за дизајн материјала“.
У фокусу његових истраживања је механика полимера и полимерних гелова – нових материјала, који због својих бројних предности ( биокомпатибилности, одрживости, биоразградивости, свестране модификације понашања) имају значајну примену у различитим областима. Од апликација у биомедицини, као вештачки органи и системи за испоруку лекова, до примене у мекој роботици ( подручје роботике којим се бави конструисањем робота од материјала, сличних онима који се налазе у живим организмима).
Да би се добио материјал жељених својства неопходно је развити одговарајући физички модел чији ће параметри, утврђени помоћу експерименталних истраживања, осликавати реалност, односно омогућити предвиђање на који начин ће се одређени материјали понашати у датом окружењу. Управо моделирање понашања материјала је и главно поље истраживања Николе Бошњака.
МФ: Можете ли нам мало ближе објаснити садржај и значај рада објављеног у “Science” и до којих сте резултата дошли, односно који је то пут који води ка тзв. “жилавим” меким материјалима, која су њихова главна својства ?
НБ: Недавно објављени рад представља научни осврт на нове трендове развоја и побољшања механичких својстава хидрогелова. Ови материјали састоје се од хемијски повезаних, или физички испреплетених, полимерних ланаца и воде. Као такви, имају изузетно важну примену због својих меканих особина и биокомпатибилности. Нажалост, употреба ових материјала у новим технологијама ограничена је због ниске жилавости. Насупрот одређеним меканим полимерима, који могу да се издуже и преко 1500%, полимерни гелови обично пуцају при значајно мањим, али свакако великим деформацијама (≈100%). Два значајна правца у постизању жељених механичких особина, о којима смо моја менторка Meredith Silberstein и ја говорили у новом броју „Science“-a, јесу израда полимера са хемијским групама осетљивим на силу, као и клизање полимерних ланаца услед пуцања хемијских веза.
МФ: У којем ће се правцу даље развијати наука о полимерима, шта можемо да очекујемо у будућности?
НБ: Један од значајних праваца у развоју ових материјала јесте дизајн активних полимера, материјала који се видно деформишу услед одређеног стимуланса, попут УВ зрака и електричног поља. Да би се остварило такво понашање материјала, полимерни ланци обогаћују се различитим хемијским групама, као што су фото-активне групе, или наелектрисане честице – јони. На тај начин, ови материјали могу бити употребљени као актуатори и сензори у уређајима који захтевају мекан и деформабилан материјал. Осим тога, развој биоразградивих полимера може да има пресудну улогу и у смањењу пластичног отпада. У последње време, оваква истраживања добијају све више на значају. На пример, медицинска опрема попут шприцева, катетера и хируршких рукавица, израђује се искључиво за једнократну употребу. Развој нових, и унапређење постојећих биоразградивих материјала, може значајно допринети смањењу пластичног отпада у случајевима када је једнократна употреба неизбежна.
МФ: Полимери имају значајну примену у биомедицини, а последњих година и у “мекој” роботици. У чему је предност робота конструисаних од материјала који су комптаибилни онима који се налазе у живим организмима?
НБ: Сличност хемијских и механичких особина меканих полимера и биолошког ткива, чини ове материјале изузетно важним за развој различитих биомедицинских компоненти. У актуелном развоју меканих уређаја и материјала, мени су најинтересантнији полимери који могу да проводе сигнал посредством транспорта јона. На сличан начин нерви у нашем телу преносе информације биолошком ткиву, и управо се овај механизам може искористити за директну везу између нашег тела и спољашњег уређаја. Мекани роботи и сензори би на тај начин могли да се користе у новим протетичким и биомедицинским уређајима, остварујући, кроз транспорт јона, потпуно природну везу са људским телом.
МФ: Колико је свет близу моделирању вештачких органа и ткива у чијој су структури полимерни гелови?
НБ: Да би се остварила успешна имплементација таквих материјала, потребно је, са једне стране, формулисати моделе понашања полимера, док је са друге стране, потребно развити сличне моделе понашања околног биолошког ткива. Биомеханика је веома активно научно поље и већина модела који се примењују на мекане полимере, могу се, уз одређене модификације, применити и на биолошка ткива. На пример, велики број биолошких ткива садржи влакна која им дају већу чврстоћу у одређеном правцу и њихово понашање може се описати моделима који су слични моделима понашања меканих полимера. Осим моделирања механичког понашања, значајан научни изазов представља и моделирање хемијске интеракције и остваривање компатибилности између синтетичких и биолошких материјала. То захтева развој мулти-физичких модела са циљем да се омогући веродостојна симулација интегралног понашања синтетичких и биолошких материјала.
(Извор: Машински факултет)