Учёные экспериментируют с жидкокристаллическими эластомерами, используея магнитные поля для управления их молекулярной структурой. Подкладки заведомо липких лапок гекконов покрыты щетинками — микроскопическими, похожими на волосы структурами, химический и физический состав которых и высокая гибкость позволяют ящерице легко захватывать стены и потолки. Ученые пытались воспроизвести такие динамические микроструктуры в лаборатории с различными материалами, включая жидкокристаллические эластомеры (LCE), которые представляют собой резиновые сети с присоединенными жидкокристаллическими группами, которые определяют направления, в которых LCE могут перемещаться и растягиваться. До настоящего времени синтетические LCE в основном могли деформироваться только в одном или двух измерениях, ограничивая способность структур перемещаться в пространстве и принимать различные формы.

На фото: Жидкокристаллические эластомеры деформируются в ответ на нагрев, и форма, которую они принимают, зависит от выравнивания их внутренних кристаллических элементов, что можно определить, подвергая их воздействию различных магнитных полей во время формирования. Фото: Институт Висса при Гарвардском университете.

Теперь группа ученых из Института биологического вдохновения Гарвардского университета Висса и Школы инженерных и прикладных наук им. Джона А. Полсона (SEAS) использует магнитные поля для управления молекулярной структурой LCE и создания микроскопических трехмерных полимерных форм, которые могут быть запрограммировано движение в любом направлении в ответ на множество типов раздражителей. Работа, о которой сообщалось в PNAS , может привести к созданию ряда полезных устройств, включая солнечные панели, которые поворачиваются, следуя за солнцем, для улучшения захвата энергии.

«Что важно в этом проекте, так это то, что мы можем контролировать молекулярную структуру, выравнивая жидкие кристаллы в произвольном направлении в трехмерном пространстве, что позволяет нам программировать практически любую форму в геометрии самого материала», — сказал первый автор Yuxing. Яо, который является аспирантом в лаборатории основного преподавателя Wyss Founding, Джоанны Айзенберг, Ph.D.

Микроструктуры, созданные командой Яо и Айзенберга, сделаны из LCE, отлитых в произвольные формы, которые могут деформироваться под воздействием тепла, света и влажности, и чья специфическая реконфигурация контролируется их собственными химическими и материальными свойствами. Исследователи обнаружили, что, подвергая воздействию LCE предшественники магнитного поля, пока они синтезировались, все жидкокристаллические элементы внутри LCE выстраивались вдоль магнитного поля и сохраняли это молекулярное выравнивание после затвердевания полимера. Изменяя направление магнитного поля во время этого процесса, ученые могли диктовать, как получающиеся формы LCE будут деформироваться при нагревании до температуры, которая нарушает ориентацию их жидкокристаллических структур. При возврате к температуре окружающей среды деформированные структуры возобновили свое первоначальное

Такие запрограммированные изменения формы могут использоваться для создания зашифрованных сообщений, которые обнаруживаются только при нагревании до определенной температуры, приводов для крошечных мягких роботов или клейких материалов, клейкость которых можно включать и выключать. Система также может заставить формы автономно изгибаться в направлениях, которые обычно требуют ввода некоторой энергии для достижения. Например, было показано, что пластина LCE подвергается не только «традиционному» изгибанию вне плоскости, но также изгибанию или скручиванию в плоскости, удлинению и сжатию. Кроме того, уникальные движения могут быть достигнуты путем воздействия на различные области структуры LCE множества магнитных полей во время полимеризации, которые затем деформируются в разных направлениях при нагревании.

Микропиллары, изготовленные из светочувствительного жидкокристаллического эластомера (LCE), переориентируются на свет, идущий с разных направлений, что может привести к повышению эффективности солнечных панелей.

Команда также смогла запрограммировать свои формы LCE для перенастройки в ответ на свет путем включения светочувствительных сшивающих молекул в структуру во время полимеризации. Затем, когда конструкция освещалась с определенного направления, сторона, обращенная к свету, сжималась, в результате чего вся форма изгибалась к свету. Этот тип саморегулируемого движения позволяет LCE деформироваться в ответ на их окружающую среду и постоянно переориентироваться, чтобы автономно следовать за светом.

Кроме того, LCE могут быть созданы со свойствами, чувствительными как к теплу, так и к свету, так что структура из одного материала теперь способна к множеству форм механизмов перемещения и реагирования.

Одним из захватывающих применений этих мультиреактивных LCE является создание солнечных панелей, покрытых микроструктурами, которые поворачиваются, чтобы следовать за солнцем, когда оно движется по небу, как подсолнух, что приводит к более эффективному захвату света. Эта технология может также послужить основой для автономных радиомодулей, многоуровневого шифрования, датчиков и интеллектуальных зданий.

«В нашей лаборатории в настоящее время есть несколько текущих проектов, в которых мы работаем над контролем химического состава этих LCE, чтобы обеспечить уникальное, ранее невиданное поведение деформации, так как мы считаем, что эти динамические биоинспирированные структуры могут найти применение в ряде областей», сказал Айзенберг, который также является профессором материаловедения Эми Смит Берилсон в SEAS.

«Задача фундаментальных вопросов о том, как работает Природа и возможно ли воспроизвести биологические структуры и процессы в лаборатории, лежит в основе ценностей Института Висс и часто может привести к инновациям, которые не только соответствуют способностям Природы, но и улучшают их, чтобы создавать новые материалы и устройства, которые в противном случае не существовали бы», — сказал директор-основатель Института Висса Дональд Ингбер, доктор медицинских наук, профессор, который также является профессором по биологии сосудов Джуды Фолкман в Гарвардской медицинской школе и в Программе биологии сосудов в Бостонской детской больнице. а также профессор биоинженерии в SEAS.

По материалам phys.org