Природа вдохновляет на прорыв в саморегулирующихся материалах

Ученые давно стремились изобрести материалы, которые могут предсказуемым и саморегулирующимся образом реагировать на внешний мир. Теперь новое исследование, проведенное в Массачусетском университете в Амхерсте, опубликовано в Труды Национальной академии наук приближает нас на один шаг к этой цели. В поисках вдохновения ученые обратились к природе.


Плавающие миноги, ходьба лошадей и полет насекомых: каждое из этих поведений стало возможным благодаря сети осцилляторов – механизмов, которые производят повторяющиеся движения, такие как изгиб хвоста, шаг или взмах крыла. Более того, эти собственные осцилляторы могут предсказуемо реагировать на окружающую среду. В ответ на разные сигналы они могут быстро изменять скорость, переключаться между разными режимами или вообще прекращать переключение. «Вопрос, – говорит Хюнки Ким, соавтор статьи, вместе с Субраманианом Сундарамом из Бостонского университета, недавно получившим докторскую степень в области полимеров и инженерии в Массачусетском университете в Амхерсте, – можем ли мы делать мягкие материалы, такие как пластмассы, и нанокомпозитные структуры, которые могут реагировать одинаково? ” Ответ, как утверждает команда, – однозначный «да».

Одна из ключевых трудностей, которую решила команда, заключалась в том, чтобы заставить серию осцилляторов работать в унисон друг с другом, что является предпосылкой для скоординированного и предсказуемого движения. «Мы разработали новую платформу, на которой мы можем с удивительной точностью управлять связью осцилляторов», – говорит Райан Хейворд, профессор химической и биологической инженерии Университета Колорадо в Боулдере Райан Хейворд, Эндауированный профессор химической и биологической инженерии Джеймса и Кэтрин Паттен, а также один из соавторов статьи . Эта платформа опирается на еще одну естественную силу, известную как эффект Марангони, который представляет собой явление, описывающее движение твердых тел вдоль границы раздела двух жидкостей, вызванное изменениями поверхностного натяжения. Классический реальный пример эффекта Марангони возникает каждый раз, когда вы моете посуду. Высыпая средство для посуды в кастрюлю, наполненную водой, на поверхность которой равномерно посыпаются крошки после ужина, вы можете наблюдать, как крошки разбегаются по краям кастрюли, как только мыло попадает в воду. Это связано с тем, что мыло изменяет воды, и крошки отрываются от участков с низким мыльным поверхностным натяжением к краям поддона, где поверхностное натяжение остается высоким.

«Все сводится к пониманию роли интерфейсов и глубокого влияния объединения полимерных и металлических материалов в композитные структуры», – говорит Тодд Эмрик, соавтор и профессор полимерологии и инженерии в Университете Массачусетса. Вместо мыльной воды и сковородок команда использовала диски из гидрогелевых нанокомпозитов, состоящих из полимерных гелей и наночастиц золота, которые были чувствительны к изменениям света и температуры. В результате команда смогла сконструировать разнообразный набор осцилляторов, которые могли двигаться в унисон друг с другом и предсказуемо реагировать на изменения света и температуры. «Теперь мы можем спроектировать сложное сопряженное поведение, которое реагирует на внешние раздражители», – говорит Ким.

0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments