Метаморфозы искусственной розы: создан новый материал с программируемой формой

Кто в детстве не мечтал о том, чтобы рубашка погладилась сама? Современные материалы с памятью формы могут воплотить эту мечту в реальность. О терминаторе Т-1000, песке, которому не нужен скульптор, и рубашке с самозакатывающимися рукавами рассказывает Indicator.Ru

Проектирование материалов, меняющих форму по заданному алгоритму без внешнего вмешательства — важная научная задача. Ее решение могло бы использоваться для создания активных биомедицинских имплантатов, систем высокоточной доставки лекарств и автономных механизмов. Однако учёные из США, предложившие новый материал, отвечающий этим требованиям, выбрали для демонстрации его работы путь, который показывает: наука может быть не только полезна, но и красива. Результаты исследования и видео, где можно пронаблюдать стадии превращения сгибающихся белых пластинок, похожих на жевательную резинку, в бутон, расцветающий на границе науки и искусства, представлены в статье в Nature Communications.

Терминатор и другие аналоги

Предыдущие поколения материалов с программируемой формой способны не только принимать заданное состояние, но и возвращаться в первоначальное. Первые вещества с подобными свойствами — золото-кадмиевые сплавы — появились ещё в 1932 году. Многие слышали и о нитиноле — сплаве никеля (45%) и титана (55%), полученном независимо в СССР и США, который может восстанавливать свою форму при нагревании. В 2001 году итальянская фирма Corpo Novo создала рубашку, где на каждые 5 волокон нейлона приходилась тоненькая проволочка из этого сплава, благодаря чему эту рубашку можно «научить» самостоятельно закатывать рукава в жару и разглаживать складки при нагревании феном. Так, в августе в том же Nature Communications вышла статья австралийских учёных о жидких сплавах галлия, капельки которого могут самостоятельно передвигаться в воде по направлению, заданному с помощью кислотности жидкости. Авторы сравнили обнаруженный эффект с терминатором модели Т-1000 в известном фильме, которая могла менять свою форму и восстанавливаться после любых ранений. По мнению исследователей, их открытие поможет создать электронику будущего, основанную на гибких и жидких системах, больше напоминающих живые клетки, чем современные металлические полупроводники и твёрдые микросхемы. В апреле 2012 года Массачусетский институт технологий опубликовал сообщение о создании «умного песка», начиненного микроэлектроникой и способного самостоятельно принимать нужную форму по заданному алгоритму, который не собирает песчинки вместе, а отсекает всё лишнее, как резец скульптора. Ещё раньше, в 2010 году, учёные из Гарвардского университета представили тонкий лист, состоящий из треугольных модулей, который может сам собираться в самолетик или кораблик.

«Цвет науки» работает как часы

Однако все эти материалы требовали внешних стимулов: освещения, нагревания, как в случае с нитинолом, или изменения уровня кислотности среды, как у австралийских учёных. Последние два примера вообще являются не материалами (хотя песок внешне и выглядит как материал), а электронными устройствами, которые к тому же требуют и электроэнергии. Учёные из Университета Северной Каролины в Чапел-хилле и Университета Акрона в Огайо задались вопросом: нельзя ли создать материал, который может хранить внутри себя энергию и умеет регулировать её постепенное высвобождение, как шестерёнки в механических часах? Аналогом часового механизма в молекулярной структуре стали обратимые химические связи, называемые так из-за способности распадаться. Новый материал содержит два типа связей: редкие постоянные связи помогают хранить информацию о том, каким он должен стать, а временные связи, расположенные близко друг к другу, определяют, как быстро он достигнет своей окончательной формы. Когда временные связи, сдерживающие движение материала, разрываются, постоянные получают полную власть над формой объекта, и он приобретает запрограммированный вид. Чтобы проверить, работает ли эта технология, исследователи синтезировали гидрогели в виде сополимеров (сложные молекулы, состоящие из разнородных звеньев — мономеров нескольких типов), соединив молекулы N,N-диметилакриламида и метакриловой кислоты. Плотная сеть временных водородных связей между водородом (Н) и кислородом (О) в полученных сополимерах чередуется с более редкими, но прочными связями между атомами углерода (С) в метильных (Н2С-) группах. Такие гидрогели формируют достаточно жёсткие связи между группами молекул-мономеров благодаря гидрофобным заместителям («боящимся» воды группам) в своём составе и по механическим свойствам близки к хрящевым тканям.

Просто добавь воды

Применение подобного материала может быть ограничено тем, что «часовой механизм» запускается сразу же при исчезновении внешней деформирующей силы. Однако учёные решили и эту проблему, сделав начало восстановления формы материала зависимым от добавления воды. Образцы материала были деформированы и выдержаны на воздухе, чтобы вода частично испарилась из внешнего слоя. В результате во внешнем слое сформировались водородные связи, но начать распадаться они должны были только в водной среде. Толщина более сухого внешнего слоя, зависящая от времени нахождения материала на воздухе, позволяет контролировать скорость восстановления формы. При этом время, требуемое на восстановление формы, остаётся в удобных для работы пределах — от секунд до часов, что не слишком быстро и не слишком медленно в масштабах доступного человеку времени. Оказалось, что созданные учёными сополимерные гели могут полностью восстанавливать свою форму и все механические характеристики с контролируемой скоростью даже после деформации на 600% — и всё это без каких-либо внешних воздействий. Чтобы продемонстрировать успешность технологии, американские учёные сконструировали искусственный цветок, лепестки которого раскрываются по очереди благодаря разной толщине верхнего слоя. Посмотреть на него можно в прикреплённом ниже видео. Наслаждайтесь!