Умные материалы: наноматериал саморегулируется в ответ на изменения среды
Живые организмы развили в себе сложные способности для сохранения стабильности в условиях изменяющейся окружающей среды, подстраиваясь под колебания в температуре, уровне pH, давлении; научились компенсировать наличие или отсутствие важных молекул. Однако наделение подобными способностями искусственных материалов оставалось проблемой - до настоящего времени.
В последнем номере Nature Гарвардская команда инженеров представила стратегию построения самотерморегулирующихся наноматериалов, которые могут быть адаптированы таким образом, чтобы поддерживать уровень pH, давления, или почти любого другого выбранного параметра, подстраиваясь под изменения окружающей среды с помощью компенсационной ответной химической реакции.
Эта новая платформа материалов, получившая название SMARTS (саморегулирующаяся механохимическая адаптивно изменяемая настраиваемая система), предлагает настраиваемый способ автономного включения и выключения химических реакций, которые воспроизводят такой тип динамических энергетически автономных обратных связей, который встречается в биологических системах.
Эта разработка является шагом к более интеллектуальным и эффективным медицинским имплантатам, а в будущем - даже к изменяющимся зданиям, которые могли бы более эффективно использовать энергию в зависимости от погоды. Исследователи также считают, что их метод обладает значительным потенциалом для внедрения в такие области, как робототехника, компьютеры и здравоохранение.
Структурно SMARTS напоминает микроскопическую зубную щетку, щетинки которой могут подниматься и опускаться, контактируя или не контактируя со слоем, содержащим химические «питательные вещества».
«Вспомните, как появляется гусиная кожа, - поясняет ведущий автор Джоанна Айзенберг, профессор Материаловедения в Гарвардской школе технических и прикладных наук (SEAS) и старший преподаватель в Институте бионики Висса в Гарварде. - Когда нам холодно, крошечные мышцы вашей руки заставляют волосы подниматься, образуя изолирующий слой. По мере того, как ваша кожа нагревается, мышцы сокращаются и волосы опускаются обратно, чтобы препятствовать перегреву. SMARTS работает похожим образом».
Такие естественные материалы, как кожа, невероятно динамичны и могут сохранять контроль в разных условиях окружающей среды посредством саморегуляции. В отличие от них синтетические материалы не могут легко поддерживать равновесие. Даже «самые умные» материалы – такие как очки, которые темнеют на солнечном свете, или пьезоэлектрический датчик, который преобразовывает колебания акустической гитары в цифровой звуковой сигнал, - обычно реагируют только на один определенный импульс окружающей среды и не способны саморегулироваться.
«Встраивая динамические цепи обратной связи в SMARTS, которые работают по принципу «снизу вверх», нам удалось внедрить желаемые регуляционные способности в сам материал, - говорит соавтор Ксимин Хэ, научный сотрудник в лаборатории Айзенберга в SEAS и в Институте Висса. - Какой бы ни был фактор (уровень pH, температура, влажность, давление, или что-то еще), SMARTS можно спроектировать так, чтобы он был способен непосредственно ощущать и регулировать желаемый фактор, не используя внешней энергии или сложных машин, давая нам концептуально новую отлаженную платформу, которая является настраиваемой, обратимой и удивительно точной».
Чтобы продемонстрировать SMARTS, команда Хэ и Айзенберг выбрали температуру в качестве фактора и внедрили множество крошечных нановолокон, похожих на небольшие волоски, в слой гидрогеля. Гидрогель, подобно мышце, может расширяться или сокращаться в ответ на изменения температуры.
Когда температура понижается, гель набухает и волоски принимают вертикальное положение и вступают в контакт с «питательным» слоем; когда он нагревается, гель сжимается и волоски опускаются. Ключевой аспект заключается в том, что молекулярные катализаторы, помещенные на кончики нановолокон, могут запускать химические реакции в «питательном» слое, приводящие к повышению температуры.
«Двухслойная система эффективно создает саморегулирующийся переключатель на два направления, которым управляет движение волосков, запуская реакцию и вырабатывая тепло, когда холодно. Как только температура достигает определенного уровня, гидрогель сжимается, заставляя волоски опускаться, прекращая дальнейшую выработку тепла. Когда он охлаждается снова ниже определенного уровня, цикл автономно перезапускается. Это гомеостаз, который происходит полностью на уровне материалов», - говорит Айзенберг.
Исследователи ожидают, что усовершенствованная технология могла бы быть внедрена в материалы для медицинских имплантатов, чтобы помочь стабилизировать физические функции, измеряя и регулируя уровень глюкозы или углекислого газа в крови. Кроме того, переменное механическое движение волосков могут использоваться с целью проталкивания, как реснички в живом организме.
«В принципе, можно превратить что угодно - тепло, свет, механическое давление - в химический сигнал в геле. Точно так же реакции, вызываемые движущимися волосами, могут производить много различных типов компенсационных ответов. Путем соединения сигналов и ответов мы можем создать большое количество автономных обратных связей», - добавляет Хэ.
Кроме технологических применений, SMARTS - это также идеальная «лаборатория» для изучения фундаментальных свойств биологических и химических систем, например того, как живые системы могут так эффективно переходить от химических к механическим процессам и обратно.
«Мы взглянули на материалы по-новому и создали увлекательную систему, которая помогает понять некоторые фундаментальные, глубинные вопросы о том, как живые существа поддерживают стабильное состояние», - говорит Айзенберг.
Айзенберг и Хэ сотрудничали с Михаелем Айзенбергом из Института бионики Висса в Гарварде; Ольгой Куксенок и Анной Балазс из университета Питсбурга; Лорен Д. Зарзар и Анкитой Састри из Отдела химии и химической биологии в Гарвардском университете.
Комментарии читателей Оставить комментарий