Растения способны производить мощное движение, которое инициируется на молекулярном уровне. Это быстрое движение часто поддерживается архитектурой на основе спирали, например, у вики или орхидеи, которые разбрасывают семена, взрывно раскрывая свои стручки. Теперь исследователи демонстрируют в журнале Angewandte Chemie, что эти биологические стратегии могут быть переработаны путем сопряжения молекулярных переключателей с искусственными материалами.
Вдохновленная эволюционными стратегиями, поддерживающими движение растений, команда, возглавляемая Стивеном П. Флетчер из Оксфордского университета (Великобритания) и Натали Кацонис из Университета Твенте (Энсхеде, Нидерланды) соединили две полоски жидкокристаллических эластомеров в корпус в виде стручка. Запускаемая светом перегруппировка (изомеризация) «молекулярного переключателя», встроенного в материал, приводит к повороту двух клапанов в противоположных направлениях, пока корпус не лопнет от напряжения.
«Это искусственный материал, в котором коллективное действие молекулярных переключателей приводит к мощному движению на макроуровне», - говорит Катсонис. «Медленное и непрерывное движение будет производить работу в течение длительного периода времени, поэтому оно обеспечивает низкую удельную мощность. Если вы ограничиваете работу в течение короткого периода времени, вы получаете больше мощности». С помощью этого похожего на растение молекулярного устройства ученые продемонстрировали, что можно программировать молекулярные материалы для выполнения сложных задач. Говорит Катсонис: «В конечном счете и в долгосрочной перспективе мы надеемся, что материалы, похожие на живые, могут способствовать переходу к адаптивным, энергоэффективным и устойчивым материалам."
В конструкции стручков используются сшитые жидкие кристаллы, поскольку они способны к направленному (анизотропному) преобразованию формы. Используя двухстадийный процесс фотополимеризации, исследователи создали тонкую пленку жидкокристаллического эластомера, состоящую из стержней с чередующимися низко- и высокоупорядоченными жидкокристаллическими состояниями. Затем из этой пленки вырезаются полоски. При облучении УФ-светом молекулярные переключатели, встроенные в эластомер, изомеризуются из прямой формы в изогнутую. Это приводит к тому, что стержни с высокой степенью упорядоченности сжимаются вдоль своей длинной оси - намного больше, чем неупорядоченные стержни, что приводит к разнице в длине между стержнями.
Угол, под которым разрезается пленка, определяет то, что происходит на макроскопическом уровне: полоски, отрезанные под углом 0° или 90° к длинной оси, изгибаются без перекручивания при облучении. Разрезы под углом 45° или 135° приводят к получению спиральных полос, которые скручиваются при освещении с противоположными направлениями закручивания. Исследователи соединили две зеркальные полоски вместе. Под облучением стручок изгибается вдоль своей длинной оси, затем образует трубку вдоль своей поперечной оси, в которой зеркальные спирали работают друг против друга и накапливается напряжение, пока стручок не раскроется от напряжения. «Накопление напряжения в трубчатой архитектуре - это элегантная инженерная стратегия, распространенная в природе, и здесь она позволяет усилить действие нескольких динамических молекул и преобразовать его в мощное движение».