Метаморфозы: программирование формы на молекулярном уровне
В мире все подчиняется определенным законам. Многие вещь, что нас окружают, мы не можем представить иначе. Для нас всегда вода мокрая, огонь горячий, шар шарообразный, а куб кубический, как бы по-детски это не звучало. Но так ли это всегда? К слову, форма любого объекта обусловлена как химическими законами, так и физическими. Но человек всегда будет стремиться подстроить под себя окружающий мир, даже если придется играть с законами естественных наук. Большое внимание в наши дни уделяется минимизации устройств и их отдельных элементов, при этом сохранив или повысив их производительность и снизив энергопотребление. Однако есть и те, кто мыслит чуть шире. Сегодня мы с вами будем знакомиться с исследованием материала, способного менять свою форму по программе, заложенной в него учеными. Что это за материал, какие факторы влияют на его метаморфозы и насколько это важно для будущего технологий — об этом мы узнаем из доклада исследовательской группы. Поехали.
Основа исследования
Для начала ученые указывают на то, что уже существуют жидкие кристаллические (LC) эластомеры (LCE), которые позволяют изменять форму полимерного материала. Этот процесс обратим, что тоже является большим плюсом. Однако подобная технология работает только с большими объектами и требует интенсивного и необратимого программирования, дабы получить полное управление над процессом.
Исследователи поставили в основе своего эксперимента динамическую ковалентную химию* (DCC). Образец менял форму только тогда и там, где активизировались фотоиндуцированные DCC-элементы.
Динамическая ковалентная химия* — совокупность методик и техник по синтетическому созданию сложных надмолекулярных структур из дискретных молекулярных элементов.
Таким образом использование света как стимула, позволяющего программировать образец, активирует динамический обмен связей, который является ортогональным* по отношению к фазовому поведению LC. Это позволяет LCE подстраиваться под любую фазу LC или даже под изотропную фазу*.
Ортогональность* — свойство линкеров (фрагменты молекул, отвечающие за присоединение химического соединения к твердой или жидкой подложке), позволяющее их удалить, снять или модифицировать без воздействия на другие фрагменты молекулы.
Изотропная фаза* — состоит из сферических мирцелл**, являющихся основой жидкого кристалла и расположенных на объемно-центрированной кубической упаковке внутри водного раствора.
Мирцеллы** — совокупность элементов поверхностно-активных веществ в коллоидном растворе, состоящие из множества амфифильных (одновременно гидрофильные и гидрофобные) молекул.
Видео-демонстрация формирования мирцелл на примере простого мыла.А вот это видео ну очень забавное, тем не менее вполне информативное (не смог удержаться, посему добавил и его)
Вышеописанные теоретические основы позволили исследователям создать LCE, чья форма обратимо изменяется по установленной программе. Для достижения такого результата на образец должно быть оказано предварительное воздействие (термическое, механическое, химическое, световое и т.д.).
Эксперимент и его результаты
Базой образца стали жидкокристаллические олигомеры, которые отличаются от полимеров тем, что число составных звеньев этих молекул ограничено. К олигомерам были применены некоторые из особенностей полимеризации с обратимой передачей цепи по механизму присоединения–фрагментации (AFT).
Изображение №1а
Благодаря реакции присоединения тиол-Михаэля удалось обеспечить довольно беспроблемную установку необходимого функционала за счет внедрения в олигомеры аллил дитиолов.
Аллил* — углеводородный радикал, у которого удален атом водорода от третьего атома углерода.
Тиолы* — сернистый аналог спиртов.
Данный метод присоединения позволяет создавать, скажем так, «управляемые» олигомеры.
Будучи мономером* тиола, аллил дитиол вступает в реакцию с мезогенным диакрилатом (RM82) и гликолевым диакрилатом (NPGDA), что приводит к формированию олигомеров, содержащих аллил сульфит с функцией AFT. Далее происходит фотополимеризация в сеть соединенных цепочек полимера.
Мономер* — низкомолекулярное вещество, которое формирует полимер в реакции полимеризации.
Жидкокристаллический эластомер является эластичным соединением, однако посредством применения вышеописанных методик он начинает вести себя как вязкоупругая жидкость*.
Вязкоупругая жидкость* — вещество, обладающее упругостью, как твердые тела, и необратимостью течения, как жидкости.
Изображение №1b
На изображении выше мы видим как LCE-элементы подверглись выравниванию и «стиранию» выравнивания посредством механического смещения (программирования) и термического разрушения (стирание). Эти процессы естественно сопровождались световым воздействием (hv, 30 мВт/см2, длина волны от 320 до 500 нм).
Полярный график (справа) представляет результаты инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье, которые соответствуют C–H ароматического* ядра (3350 — 3300 см-1) при различных углах поляризации света.
Ароматические соединения* — циклические соединения, в которых сопряженные кольца ненасыщенных связей обладают аномальной стабильностью.
Миура-ори
Изображение №1с
На 1с показан процесс программирования термообратимой пленки. Полидоменная пленка полимера толщиной 250 мкм была сложена вручную по схеме Миура-ори, после на нее было оказано световое воздействие (320 — 500 нм, 100 мВт/см2) и небольшое тепловое (30° — 40°C). В результате при воздействии высокой температуры пленка разворачивалась, а в процессе охлаждения складывалась обратно.
Демонстрация изменения формы плоской пленки в сложенную и квадрата в круг (с 02:05)
Подобные результаты говорят о том, что применение AFT-элементов позволяет совместить термореактивные и термопластичные свойства в одном материале.
Подобная форма образца (Миура-ори) была выбрана не случайно. Такой вариант гораздо сложнее, чем простое растяжение и сжатие, и дает возможность понять насколько эффективно работает программирование вещества.
На изображении выше показан упрощенный вариант изменения формы образца за счет программирования его элементов. Плоскую пленку (А) скрутили в спираль (В) вручную и воздействовали на нее 10 секунд светом 50–100 мВт/см2 с длиной волны 320 — 500 нм. Нагрев спирального образца до 100 °C и еще 10 с воздействия светом вернули ему прежнюю плоскую форму (С).
Как результат, изотропная форма, которую объект принимает при повышении температуры, может быть задана в процессе первичной фотополимеризации. А LC-форма, которую объект принимает при комнатной температуре (без дополнительного светового и термического воздействия), программируется за счет обмена AFT-элементов.
Квадрат → круг → квадрат
Вышеописанный метод был также использован и для изменения образца квадратной формы в круглую (утрировано, ибо объемность образца для простоты повествования в докладе ученых не учитывается).
Как видно из ролика выше квадратный брусок обладает стабильной формой, когда на него не воздействуют дополнительным тепловым и световым излучением. Когда же температура повышается до 100 °C, образец меняет форму в соответствии с отверстием, в которое он не мог бы пройти с первоначальной формой.
Применяя различную температуру, исследователи обнаружили разную реакцию на это воздействие. Так во время программирования образца при температуре 120 °C полимер усваивает монодомен в LC-фазе и практически полностью соответствует деформации, приложенной в изотропной фазе. А образец, программируемый в LC-фазе при температурах 25 и 67 °C, практически не показал запрограммированной деформации в изотропной фазе. Другими словами, при таких температурах образец не принимал нужную форму. Если же температура программирования выше температуры фазового перехода (80 °C), то по всей сети образца наблюдается очень равномерно распределенное напряжение, как следствие равномерная релаксация также происходит по всей площади образца. Таким образом, путем проб и ошибок, была установлена оптимальная (на данном этапе исследований) температура для проведения программирования формы вещества.
Исследователи предоставили доклад для всех желающих ознакомиться с их работой.
А также дополнительные материалы к нему.
Эпилог
По словам ученых их труд позволяет достичь более глубокого понимания некоторых процессов, что имеют место быть внутри различных веществ. Использование света в качестве внешнего фактора дает пространственный и временной контроль над процессом программирования формы образца.
Ученым удалось создать фотополимеризуемый, термообратимый материал, который можно многократно программировать с помощью механического, светового и теплового воздействия. Изменение молекулярной структуры образца позволило сделать его универсальным — образец может принимать практически любую заданную человеком форму.
В дальнейшем ученые продолжат свои исследования, поскольку им еще предстоит усовершенствовать сам процесс программирования, а также продолжить поиски новых, возможно более эффективных, способов воздействия на образец в процессе программирования.
Возможность изменять форму образца, точнее манипулировать ею, открывает новые возможности в создании устройств для самых разных сфер жизни человека: от медицины и армии до компьютерных и космических технологий.
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
3 месяца бесплатно при оплате новых Dell R630 на срок от полугода — 2 х Intel Deca-Core Xeon E5–2630 v4 / 128GB DDR4 / 4×1TB HDD или 2×240GB SSD / 1Gbps 10 TB — от $99,33 месяц, только до конца августа, заказать можно тут.
Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5–2650v4 128GB DDR4 6×480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
