В научной фантастике часто встречаются неорганические формы жизни, но в действительности организмы и устройства, которые реагируют на стимулы, такие как изменения температуры, почти всегда основаны на органических материалах, и, следовательно, исследования в области «адаптивных материалов» почти полностью сосредоточены на органических веществах. Однако есть преимущества использования неорганических материалов, таких как металлы, в том числе потенциально лучшие механические свойства.
Учитывая это, группа под руководством RIKEN решила попытаться воссоздать поведение органических гидрогелей, но с использованием неорганических материалов.
Источником вдохновения для создания материала послужило водное существо под названием морской огурец. Морские огурцы – очаровательные животные, родственные морским звездам (но не огурцам!) – у которых есть способность трансформировать свою кожу из твердого слоя в своего рода желе, позволяя им выбрасывать свои внутренние органы, которые в конечном итоге вырастают, чтобы спастись от хищников.
В случае морских огурцов химические вещества, выделяемые их нервной системой, вызывают изменение конфигурации белкового каркаса, вызывая изменение.
Чтобы сделать это, исследователи экспериментировали с размещением нанолистов (в данном случае тонких листов оксида титана) в воде, причем нанолисты составляли 14 процентов, а вода – 86 процентов от веса материала.
По словам Коки Сано из RIKEN CEMS, первого автора статьи: «Ключ к тому, является ли материал мягким гидрогелем или более твердым гелем, основан на балансе между силами притяжения и отталкивания между нанолистами. Если силы отталкивания преобладают, он более мягкий, но если притягивающие сильны, листы замыкаются в трехмерную сеть, и она может перестроиться в более твердый гель.
Используя точно настроенное электростатическое отталкивание, мы попытались создать гель, свойства которого будут меняться в зависимости от температуры."
Группе в конечном итоге удалось это сделать, обнаружив, что материал изменился от более мягкого состояния с преобладанием отталкивания до более жесткого с преобладанием притяжения при температуре около 55 градусов по Цельсию. Они также обнаружили, что могут повторять процесс многократно без значительного ухудшения. «Что было захватывающе, – продолжает он, – то, что этот переходный процесс завершается всего за две секунды, даже несмотря на то, что он требует значительной структурной перестройки. Этот переход сопровождается 23-кратным изменением механической эластичности геля, напоминающего морские огурцы."
Чтобы сделать материал более полезным, они затем легировали его наночастицами золота, которые могли преобразовывать свет в тепло, позволяя им направлять лазерный свет на материал, чтобы нагревать его и изменять структуру.
По словам Ясухиро Исида из RIKEN CEMS, одного из авторов статьи, «Это действительно захватывающая работа, поскольку она значительно расширяет область применения вещества, которое можно использовать в адаптивных материалах следующего поколения, и может даже позволить нам создать форма «неорганической жизни»."
Работа, опубликованная в Nature Communications, была выполнена RIKEN CEMS в сотрудничестве с Токийским университетом, Национальным институтом материаловедения (NIMS) и Центром RIKEN SPring-8.