Гелевые мышцы оживляют мухоловки и волосы наномира

Надоело нанотехнологам делать всякие нанотрубки да нанонити — теперь в их крошечном мире завелось кое-что живое. Ну или, по крайней мере, похожее на живое. Только сами учёные так и не знают, что же они сделали. С одной стороны, это напоминает мышцу, с другой – гусиную кожу. А кто-то вообще утверждает будто это – хищная трава.

 

 

Высокая чувствительность растений-мухоловок (например, Dionaea muscipula) позволяет им быстро реагировать на своих жертв. Если насекомое касается створок мухоловки, то растение немедленно их закрывает. Такое поведение, характерное для живой природы, важно и для современных технологий, в которых также требуется быстрое реагирование на внешние условия.

Подобные механизмы "разрабатывались" природой достаточно долго и в разных условиях. Потому-то такие формы поведения, проверенные многими тысячами и миллионами лет работы, и интересуют учёных. В науке даже появилась такая отрасль, как биомиметика.

	Такими ужасами вдохновляются нынче учёные перед началом очередной серии исследований (иллюстрация с сайта sarracenia.com).

Эта дисциплина изучает возможности подражания различным природным моделям, которые можно применять в науке и в промышленности. Кстати, к разработкам в данной области можно отнести многие из известных сейчас достижений – от радара до искусственного интеллекта. О биомиметике мы некогда упоминали в материале о псах-железяках.

Итак, вдохновившись примером всяких росянок и прочей хищной травы, учёные решили воспроизвести их поведение на наноуровне.

За работу взялись специалисты из американских лабораторий Белла (Bell Laboratories) и из германского института Макса Планка коллоидов и поверхностей (Max-Planck-Institut für Kolloid— und Grenzflächenforschung — MPIKG). Изобретение, которое у них получилось, по поведению чем-то похоже на мухоловку.

Разработка представляет собой необычный материал: мало того, что он реализован на наноуровне, так ещё и является гибридным. "Его особенность в том, что это комбинация твёрдых элементов – кремниевых игл — с мягким гелем, приводящим их в движение", — поясняет профессор Петер Фратцл (Peter Fratzl), директор MPIKG, принимавший участие в исследовании.

Пример работы HAIRS-1. Когда воздух сухой (слева), иглы лежат. Когда влажность повышается (справа), гидрогель "накачивается" водой и разбухает. В результате иглы принимают вертикальное положение (иллюстрация Alexander Sidorenko et al.).

Своё изобретение учёные назвали HAIRS — аббревиатура от "hydraulic gel high-aspect-ratio rigid structures", что можно перевести примерно как "гидравлический гель с жёсткими структурами высокого характеристического отношения".

Гидрогель – это основная часть материала. Его свойства не постоянны, они меняются в зависимости от содержания воды в окружающем воздухе. Если влажность атмосферы меняется, то поверхность геля либо сжимается, либо расширяется. При этом иголки приходят в движение и меняют пространственную ориентацию.

На основе этого несложного принципа специалисты создали две модификации материала: HAIRS-1 и HAIRS-2.

В HAIRS-1 иглы расположены параллельно друг другу и находятся в геле. При сжатии поверхности гель наклоняет их в определённую сторону – то есть работает как своего рода наномышца.

В отличие от HAIRS-1, в HAIRS-2 иглы не просто "воткнуты" в гель, а укреплены на подложке. Из-за этого под действием сжимающегося геля они начинают гнуться, притягиваясь друг к другу. В зависимости от способа расположения игл они ведут себя по-разному, формируя различные узоры.

Минимальная конфигурация напоминает четырёхпалую кисть руки с пальцами, растопыренными вниз, а более сложные сами исследователи сравнивают с полем распускающихся микроцветов. Очень романтично, хотя и не ново. Важно то, что и иглы и в первой, и во второй модификациях могут возвращаться в исходное состояние и занимать любое промежуточное – для этого необходимо лишь управлять влажностью воздуха.

Здесь показан процесс, происходящий в результате повышения влажности (вид сверху): иглы, первоначально находящиеся под углом, поднимаются и поворачиваются к наблюдателю торцами, становясь видимыми как точки (иллюстрация Alexander Sidorenko et al.).

По словам Джоанны Айзенберг (Joanna Aizenberg), сотрудницы лабораторий Белла, такие сложные движения, которые совершают иголки в этом гибридном материале, наблюдаются впервые. Ранее в аналогичных системах, где полимерными элементами пытались управлять электрическим или магнитным полем, такое реализовать не получалось.

Об изобретении учёные рассказали в статье, опубликованной в журнале Science.

Между прочим, не всё понятно с источником вдохновения. Похоже, что их несколько, и все они – в живом мире.

Структуры, обладающие высокой жёсткостью, но позволяющие менять параметры конструкции, были изобретены в прошлом веке Ричардом Бакминстером Фуллером (Richard Buckminster Fuller — о его выдумках мы рассказывали тут). Интересно, что впоследствии биологи признали: именно по такому принципу строятся живые клетки.

	Руководитель исследования Петер Фратцл: "На создание этого материала нас вдохновила биология" (фото с сайта mpikg.mpg.de).

А ещё HAIRS-1 напоминает волоски, поднимающиеся, когда кожа замерзает (напомним, hairs в переводе с английского – "волосы"). А когда несколько иголок прижимаются кончиками друг к другу, как в HAIRS-2, то это, конечно же, походит на "капкан" росянки.

Что касается применения такого гибридного материала, то областей его использования можно придумать сколько угодно – тем более, что о реальной практической пользе говорить рановато.

Одну из самых удивительных возможностей предложила Джоанны Айзенберг. Исследовательница считает, что материалы вроде HAIRS можно использовать для покрытий, которые будут иметь водоотталкивающие свойства при сыром воздухе, но станут гидрофильными, когда атмосфера сухая. Вот такая открывается парадоксальная перспектива – вполне достойная матушки-природы.

Ну, а если применения не найдётся, то так и придётся использовать HAIRS в качестве наноросянки. Только надо будет изобрести наномух — хотя бы несколько штук.

Статья получена: Membrana.ru