Химики из Чжэцзянского университета разработали материал, способный резко и обратимо менять свою форму под действием внешних воздействий — тепла и колебаний кислотности. На создание материала ученых вдохновили листья венериной мухоловки (Dionaea muscipula), способные быстро захлопываться после попадания в них добычи. Работа опубликована в журнале Materials Horizons, кратко о ней сообщает блог Королевского химического общества.

В основе материала лежит гидрогель — полимерный материал, сильно набухший после впитывания большого количества воды. Авторы синтезировали три различных полимерных материала: термочувствительный, pH-чувствительный и не меняющий свою форму под действием температуры и изменения кислотности. Первые два полимера сжимались на 80 и 65 процентов при нагреве с 20 до 40°C и увеличении кислотности с pH=7 (нейтральный) до pH=2 (кислый) соответственно. 

Смена формы гидрогеля под действием горячей воды. Qian Zhao et al. / Materials Horizons, 2016

Строение материала: NRH — невосприимчивый полимер, TRH — термочувствительный полимер, PRH — полимер, чувствительный к кислотности. Qian Zhao et al. / Materials Horizons, 2016

Ученые объединили все три материала в четырехслойный плоский диск. Два его внешних слоя состояли из растянутого невосприимчивого полимера, два внутренних — из термо- и pH-чувствительных полимеров. Из-за натяжения внешних слоев у диска возникло два устойчивых состояния: линзообразная форма, выгнутая в одну и в другую сторону.

Затем авторы поместили диск из полимеров в воду и изучили поведение материала при смене условий. На первом этапе химики механически выгнули пластину так, чтобы выпуклой оказалась сторона с термочувствительным полимером. После этого температуру раствора подняли до 40°C — примерно за 90 секунд термочувствительный полимер сжался, после чего диск за секунду сменил форму с выпуклой на вогнутую. Авторы снова охладили раствор до комнатной температуры, полимер расширился, но форму диск не поменял даже в течение 12 часов. Во время первой части эксперимента среда оставалась нейтральной.

Циклы смены формы гидрогелевого диска. I-II — нагрев, II-III — смена формы, III-IV — охлаждение, V-VI — добавление кислоты, VI-VII — смена формы, VII-VIII — восстановление нейтрального pH. Qian Zhao et al. / Materials Horizons, 2016

На следующем этапе химики добавили к раствору кислоту, что привело к сжатию pH-чувствительного полимера. Через 28 минут снова произошел резкий переход от вогнутой к выпуклой форме. После восстановления нейтрального значения pH авторы выждали 12 часов до полной релаксации полимерного слоя. Весь цикл ученые повторили 20 раз, но, по словам химиков, процедуру можно повторять до бесконечности.

Для того, чтобы сократить время кислотной смены формы авторы предложили использовать большие количества кислоты (при pH=1 переход происходил через 10 минут). Ученые отмечают, что материалы, способные резко менять форму уже были разработаны и раньше, но чаще всего эти изменения необратимы. 

Ранее с помощью гидрогелей химики разработали материал, меняющий свою окраску в широких пределах при нагреве. Кроме того, с помощью гидрогелей можно залечивать раны и останавливать кровотечения.

Автор: Владимир Королёв