Автоколебательные гели на основе комплексов кобальта станут перспективным материалом для создания актуаторов

Ученые БФУ имени Иммануила Канта впервые получили автоколебательные гели на основе комплексов кобальта. Такие гели способны периодически менять свои геометрические параметры, благодаря чему их можно использовать для создания хемомеханических материалов, преобразующих химическую энергию в энергию механических колебаний. Поскольку внутри таких гелей возникают распространяющиеся химические волны, это позволит использовать материал для разработки устройств, обрабатывающих информацию за счет взаимодействия химических волн. Результаты исследования опубликованы в журнале Gels.

В химии, физике и робототехнике все более востребованными становятся так называемые автоколебательные полимерные гели, свойства которых — плотность, объем, цвет и другие — периодически изменяются. Например, подобный гель может попеременно изменять свои размеры, благодаря чему его можно использовать в микронасосах или актуаторах для преобразования химической энергии в механическую (в движение). Способность таких материалов менять свое состояние, затем возвращаться в исходное и снова изменяться возникает благодаря тому, что в геле протекает периодическая окислительно-восстановительная реакция Белоусова-Жаботинского. Она имеет сложный механизм, состоящий из нескольких десятков реакций, но в общем виде ее можно представить как бромирование и окисление органического вещества (например, малоновой кислоты) броматом в присутствии катализатора в водном растворе минеральной кислоты (например, серной). В ходе реакции катализатор периодически меняет свою степень окисления и, если он связан с полимерной матрицей геля, это приводит к периодическим изменениям свойств (цвета, размера, прозрачности) всего геля.

На сегодняшний день большинство автоколебательных гелей синтезируются на основе комплексов рутения, и их основными недостатками являются дороговизна, фоточувствительность и сложность синтеза. Поэтому исследователи ищут более доступные альтернативы.

Ученые из Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта (Калининград) впервые синтезировали автоколебательные гели на основе дешевых, простых в синтезе и нечувствительных к свету комплексов кобальта. Полученные гели при протекании в них реакции Белоусова-Жаботинского генерируют и распространяют химические волны, вызванные окислительно-восстановительными переходами комплексов кобальта.

Исследователи разработали два типа гелей: первый получили путем включения комплексов кобальта в катионообменные полимерные смолы на основе полиакриламида; второй тип синтезировали, совместно сополимеризовав (сшив в длинные цепочки) комплексы кобальта с акриламидом.

При протекании реакции Белоусова-Жаботинского в обоих типах гелей возникали и распространялись химические волны, из-за чего субмиллиметровые (порядка десятых долей миллиметра) кусочки гелей периодически меняли цвет.

Кроме того, один из гелей, помимо изменения цвета (с желтого на оранжевый) менял свой объем, то сжимаясь, то набухая. Это свойство геля может быть использовано для создания на его основе актуаторов для мягких роботов.

В дальнейшем авторы планируют продолжить разработку и исследование автоколебательных гелей на основе комплексов кобальта, чтобы добиться более сильных механических колебаний гелей и научиться получать их в виде трехмерных фигур заданных размеров и форм, что необходимо для создания актуаторов.