Гелевые мышцы оживляют мухоловки и волосы наномира
Надоело нанотехнологам делать всякие нанотрубки да нанонити — сейчас в их маленьком мире завелось кое-что живое. Ну либо, по крайней мере, похожее на живое. Лишь сами учёные так и не знают, что же они сделали. С одной стороны, это напоминает мышцу, с другой – гусиную кожу.
А кто-то по большому счету утверждает словно бы это – хищная трава.
Высокая чувствительность растений-мухоловок (к примеру, Dionaea muscipula) разрешает им скоро реагировать на собственных жертв. В случае если насекомое касается створок мухоловки, то растение срочно их закрывает.
Такое поведение, характерное для живой природы, принципиально важно и для новейших технологий, в которых кроме этого требуется стремительное реагирование на внешние условия.
Подобные механизмы «разрабатывались» природой достаточно продолжительно и в различных условиях. Потому-то такие формы поведения, проверенные многими миллионами и тысячами лет работы, и интересуют учёных.
В науке кроме того показалась такая отрасль, как биомиметика.
Такими кошмарами вдохновляются в наше время учёные перед началом очередной серии изучений (иллюстрация с сайта sarracenia.com).
Эта дисциплина изучает возможности подражания разным природным моделям, каковые возможно использовать в науке и в индустрии. Кстати, к разработкам в данной области возможно отнести многие из известных на данный момент достижений – от радара до ИИ.
О биомиметике мы некогда упоминали в материале о псах-железяках.
Итак, вдохновившись примером всяких росянок и другой хищной травы, учёные решили воспроизвести их поведение на наноуровне.
За работу взялись эксперты из американских лабораторий Белла (Bell Laboratories) и из германского университета Макса Планка поверхностей и коллоидов (Max-Planck-Institut fur Kolloid- und кожный покров — MPIKG). Изобретение, которое у них оказалось, по поведению чем-то похоже на мухоловку.
Разработка представляет собой необыкновенный материал: кроме того, что он реализован на наноуровне, так ещё и есть гибридным. «Его особенность в том, что это комбинация жёстких элементов – кремниевых игл — с мягким гелем, приводящим их в перемещение», — поясняет доктор наук Петер Фратцл (Peter Fratzl), директор MPIKG, принимавший участие в изучении.
Пример работы HAIRS-1. В то время, когда воздушное пространство сухой (слева), иглы лежат. В то время, когда влажность увеличивается (справа), гидрогель «накачивается» водой и разбухает.
В следствии иглы принимают вертикальное положение (иллюстрация Alexander Sidorenko et al.).
Собственное изобретение учёные назвали HAIRS — сокращение от «hydraulic gel high-aspect-ratio rigid structures», что возможно перевести приблизительно как «гидравлический гель с твёрдыми структурами большого характеристического отношения».
Гидрогель – это главная часть материала. Его свойства не постоянны, они изменяются в зависимости от содержания воды в окружающем воздухе.
В случае если влажность воздуха изменяется, то поверхность геля или сжимается, или расширяется. Наряду с этим иголки приходят в перемещение и меняют пространственную ориентацию.
На базе этого несложного принципа эксперты 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 – другими словами трудится как собственного рода наномышца.
В отличие от HAIRS-1, в HAIRS-2 иглы не просто «воткнуты» в гель, а укреплены на подложке. Вследствие этого под действием сжимающегося геля они начинают гнуться, притягиваясь друг к другу.
В зависимости от метода размещения игл они ведут себя по-различному, формируя разные узоры.
Минимальная конфигурация напоминает четырёхпалую кисть руки с пальцами, растопыренными вниз, а более сложные сами исследователи сравнивают с полем распускающихся микроцветов. Весьма романтично, не смотря на то, что и не ново.
Принципиально важно то, что и иглы и в первой, и во второй модификациях смогут возвращаться в исходное состояние и занимать любое промежуточное – для этого нужно только руководить влажностью воздуха.
Тут продемонстрирован процесс, происходящий в следствии увеличения 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 перемещения, каковые совершают иголки в этом гибридном материале, наблюдаются в первый раз. Ранее в подобных совокупностях, где полимерными элементами пробовали руководить электрическим либо магнитным полем, такое реализовать не получалось.
Об изобретении учёные поведали в статье, размещённой в издании Science.
Кстати, не всё ясно с источником воодушевления. Похоже, что их пара, и все они – в живом мире.
Структуры, владеющие высокой жёсткостью, но разрешающие поменять параметры конструкции, были изобретены в прошлом веке Ричардом Бакминстером Фуллером (Richard Buckminster Fuller — о его выдумках мы говорили тут). Примечательно, что потом биологи признали: как раз по такому принципу строятся живые клетки.
Начальник изучения Петер Фратцл: «На создание этого материала нас вдохновила биология» (фото с сайта mpikg.mpg.de).
А ещё HAIRS-1 напоминает волоски, поднимающиеся, в то время, когда кожа мёрзнет (напомним, hairs в переводе с английского – «волосы»). А в то время, когда пара иголок прижимаются кончиками друг к другу, как в HAIRS-2, то это, конечно же, будет похожим «капкан» росянки.
Что касается применения для того чтобы гибридного материала, то областей его применения возможно придумать какое количество угодно – тем более, что о настоящей практической пользе сказать рановато.
Одну из самых необычных возможностей внесла предложение Джоанны Айзенберг. Исследовательница уверен в том, что материалы наподобие HAIRS возможно применять для покрытий, каковые будут иметь водоотталкивающие особенности при сыром воздухе, но станут гидрофильными, в то время, когда воздух сухая.
Вот такая раскрывается парадоксальная возможность – в полной мере хорошая матушки-природы.
Ну, а вдруг применения не найдётся, то так и нужно будет использовать HAIRS в качестве наноросянки. Лишь нужно будет изобрести наномух — хотя бы пара штук.
