Немецким химикам удалось наладить производство одинаковых искусственных микромышц на основе жидкокристаллических полимеров. Теперь, по словам разработчиков, их можно внедрять в промышленность, что создает уникальные возможности для развития микромеханических устройств и крошечных роботов.
Когда человек совершает какие-то движения руками или ногами, просто улыбается или хмурится, его мышцы сокращаются или, наоборот, растягиваются. Эти действия точно регулируются и полностью обратимы. Для регулировки природа создала совершенный материал – мышечную ткань. Но человечество не стоит на месте и догоняет природу. В данном случае речь идет о таком искусственном материале как жидкие кристаллы. Внедрение в сложную структуру жидкокристаллического полимера специальных молекул – функциональных групп, которые под воздействием света, например, или электромагнитного поля могут менять свою ориентацию, позволяет получать материал, по свойствам близкий к мышцам.
Однако придумать принцип работы такого материала и подобрать составляющие его компоненты – это только половина дела. Чтобы получить функциональный, готовый для применения материал, а не просто смесь веществ, потенциально обладающую необходимыми свойствами, нужно подобрать и состав смеси, и условия получения будущего вещества.
Капризные жидкие кристаллы
Не в последнюю очередь все вышесказанное относится и к жидким кристаллам. Эти материалы чувствительны не только к наличию примесей (как сталь), температуре (как керамика) или, например, скорости проведения реакции, но и к свойствам поверхности, на которой они формируются. И ко многим другим, до сих пор не изученным факторам. Годы работы с жидкими кристаллами убедили профессора Рудольфа Центеля (Rudolf Zentel) из Института органической химии университета Майнца в Германии и его сотрудников в капризности этих уникальных веществ и заставили искать особый подход к производству материалов на их основе.
В своей последней работе, опубликованной в журнале Advanced Materials, немецкие ученые рассказали о том, как им удалось синтезировать субмиллиметровые сферические частицы из жидкокристаллического эластомера, способные под воздействием температуры обратимо вытягиваться и сжиматься. Для этого ученые использовали распространенный мономер, способный полимеризоваться в присутствии ультрафиолетового облучения и специального вещества – фотоинициатора. Мономер содержал также особую функциональную группу, способную менять пространственную ориентацию, когда меняется температура среды. Именно подвижность функциональных групп в пространстве обеспечивает материалу способность растягиваться с повышением температуры и сжиматься при ее понижении.
Все эти составляющие уже были известны химикам. Однако получить материал с необходимыми свойствами до сих пор не удавалось из-за неверного подхода к процессу синтеза. Предшественники команды Центеля готовили смесь, полимеризовали ее, а затем пытались построить искомую упорядоченную внутреннюю структуру последовательными растяжениями и сжатиями материала при определенных температурных условиях, воздействуя электрическим или магнитным полем. Необходимо было, чтобы все функциональные группы сориентировались в одном направлении. Все подобные методы имели один и тот же ряд недостатков: они включали в себя несколько этапов синтеза, их трудно было поставить на поток, и они не подходили для синтеза частиц небольшого размера.
Все дело в капельках
Центель и его команда решили эту проблемы с помощью микрожидкостной техники. Они поршнем вдавливали разогретую жидкую смесь веществ в тонкий капилляр. Скорость потока реакционной смеси в нем варьировалась за счет изменения скорости движения самого поршня. Течение внутри капилляра упорядочивало удлиненные молекулы мономера – то есть создавало его необходимую ориентацию. На выходе из иглы материал образовывал капельки, которые тут же попадали в невязкое силиконовое масло, помогающее им удерживать форму. Здесь же капельки облучались ультрафиолетовым излучением, благодаря которому полимеризовались и, соответственно, затвердевали, сохраняя нужную внутреннюю структуру.
Микрожидкостная установка, как называют ее сами авторы работы, позволяет гибко варьировать параметры синтеза: температуру, вязкость масла, скорость потока и, конечно, сам состав реакционной смеси. Химикам удалось получить монодисперсные, то есть практически одинакового размера сферические частицы диаметром от 200 до 600 микрон. Ученые также выяснили, как влияет скорость потока на свойства частиц. Чем быстрее текла реакционная смесь в установке, тем более структурированными получались частицы. И тем сильнее вытягивались при последующем увеличении температуры.
Профессор Такаши Като (Takashi Kato) из Токийского университета, один из авторитетнейших специалистов в области жидких кристаллов и член консультативного совета Advanced Materials, считает, что работа его немецких коллег очень интересна: «Микросферы изготовлены с помощью красивой комбинации знаний из самых разных областей: микрожидкостной техники, химии полимеров и жидкокристаллической химии».
Микромышца-рекордсмен
Саму частицу-рекордсмен можно увидеть в видеоролике. Сфера из жидкокристаллического эластомера (эластичного полимера) лежит под объективом микроскопа на подогреваемом предметном столике. Быстрое охлаждение обеспечивает струя холодного воздуха, которую периодически направляют к частице. Температура варьируется от 100°С, когда частичка сферическая, до 140°С, когда частичка принимает сигарообразную форму, а ее максимальные линейные размеры увеличиваются на 70%.
Созданные в университете Майнца искусственные «микромышцы» вскоре могут найти реальное применение. Группа профессора Центеля пытается использовать их в качестве клапанов в крошечном аналитическом устройстве, которое называют lab-on-chip – «лаборатория на микросхеме». По мнению создателей, эти полимерные частицы также представляют «серьезную альтернативу другим микроскопическим системам-активаторам, таким как пьезокерамические детали и частички гидрогеля — полимера, увеличивающегося в размерах за счет поглощения воды». Их способность быстро и очень значительно растягиваться и менять форму при незначительном изменении внешних условий практически уникальна: пьезоэлектрики не могут конкурировать с новым материалом, так как могут менять свои линейные размеры лишь на считанные проценты, а гидрогелям нужно поглощать или испарять воду, что не всегда удобно и занимает много времени. «Если мы можем производить жидкокристаллические эластомерные частички с высоким выходом, скоростью и монодисперсностью получаемых частиц, то можем в промышленных масштабах активировать ими маленькие объекты в микромеханике, микроструйных элементах и в робототехнике», — считает профессор Центель.
