Созданы синтетические материалы со свойствами живых существ

Американские ученые разработали мягкие полимерные материалы, которые при попадании на них света начинают изгибаться, вращаться и ползать. Описание приведено в журнале Nature Materials.

Исследователи из Северо-Западного университета в Эванстоне, штат Иллинойс, создали семейство мягких «роботизированных материалов». На свету эти тонкопленочные материалы как будто оживают — гнутся, вращаются и даже ползают по поверхности без помощи дополнительного оборудования, гидравлики или электричества.

Структура новых материалов содержит наноразмерные пептидные сборки, которые отводят молекулы воды. Ученые связали между собой пептидные матрицы с полимерными сетками, реагирующими на синий свет.

Когда такой свет попадает на материал, химическая реакция меняет свойства сеток, и они из гидрофильных, притягивающих влагу, становятся гидрофобными — водоотталкивающими. Материал начинает вытеснять влагу через пептидные трубки, сжимается и «оживает». Если свет выключить, материал, снова становясь гидрофильным, впитывает воду обратно и расширяется.

Это напоминает обратимое сокращение мышц, которое и вдохновило авторов на разработку новых материалов. При этом, управляя светом, можно придавать материалу направленное движение, так как изгиб происходит в ту сторону, откуда исходит свет. Исследователи даже заставляли объект вращаться в то время, когда он «полз» по поверхности.

Прежде чем произвести «живые» материалы в реальной жизни, ученые выполнили компьютерное моделирование, позволившее предсказать их свойства.

«Из биологических систем мы знаем, что магия мышц основана на связи между небольшими белками и гигантскими белковыми полимерами, которые расширяются и сжимаются, — приводятся в пресс-релизе слова руководителя исследования Сэмюэля Ступпа (Samuel Stupp), профессора материаловедения, химии, медицины и биомедицинской инженерии в Северо-Западном университете и директора Института Симпсона Керри. — Только мышцы используют химическое топливо, а не свет, чтобы генерировать механическую энергию».

Исследователи полагают, что «роботизированные материалы» могут выполнять множество задач в таких областях, как медицина, энергетика, восстановление окружающей среды.

«Мы живем в эпоху, когда устройства, помогающие нам управлять повседневной жизнью, постоянно совершенствуются, — отмечает Ступп. — Следующим этапом развития науки будет создание материалов со способностями живых существ. Эти материалы смогут добавить функциональность мягким роботам, необходимым для подбора хрупких предметов и последующего их высвобождения в точном месте. В медицине мягкие материалы с «живыми» характеристиками, изгибающиеся и меняющие форму, обеспечат извлечение сгустков крови в мозге после инсульта. Они смогут передвигаться по поверхности воды, очищая водохранилища или моря, а также искать дефекты в батареях, мембранах или химических реакторах».

Авторы считают, что для нового семейства материалов открыты бесконечные возможности применения, благодаря их способности принимать самые различные формы.