Химики из США и Польши разработали новый материал на основе жидкокристаллических эластомеров, форму которого можно изменять с помощью ультрафиолетового облучения и температуры. Форма материала определяется фазой, в которой в данный момент находится его жидкокристаллическая составляющая, а фиксируется она с помощью системы ковалентных связей между гибкими частями молекул. В будущем этот материал можно будет использовать в робототехнике или для создания светочувствительных механических устройств, пишут ученые в Science Advances.

В жидкокристаллических полимерах отдельные элементы, которые могут выстраиваться в упорядоченную структуру, связаны между собой подвижными полимерными цепочками. Жидкокристаллическая часть этих материалов обычно образована из ароматических элементов (например, с на основе бензола или нафталина), а между ними располагаются углеводородные цепочки длиной в несколько углеродных атомов с гибким скелетом. За счет наличия ароматических элементов с помощью внешнего воздействия — температуры, кислотности или облучения — в них можно вызвать фазовый переход между разными фазами с различным типом упорядочения. Эти переходы, в свою очередь, приводят к изменению механических свойств или формы материала. Тем не менее, управлять этими процессами, то есть сделать их быстрыми, обратимыми и полностью воспроизводимыми, пока не удавалось.

Важный шаг в этом направлении сделали химики из США и Польши под руководством Кристофера Боумана (Christopher N. Bowman) из Колорадского университета в Боулдере. Ученые получили жидкокристаллический эластомер, формой которого можно управлять с использованием ультрафиолетового излучения и нагревания. Химическая структура этого соединения включала в себя акрилатные олигомеры и линейные углеводородные цепочки, которые связывались между собой с помощью сульфидных связок.

Схема синтеза жидкокристаллического эластомера. Matthew K. McBride et al./ Science Advances, 2018

После получения материал сразу облучали ультрафиолетом (авторы использовали свет длиной волны 365 нанометров и мощность до 50 милливатт на квадратный сантиметр). Ультрафиолет приводил к тому, что ароматические фрагменты молекул выстраивались в определенном направлении, в результате чего материал сворачивался. С помощью нагрева материал можно было вернуть в исходное состояние, а после обратного охлаждения эластомер снова сворачивался.

При этом в начальной жидкокристаллической структуре (которая образовалась после облучения) анизотропные ароматические элементы были повернуты на 90 градусов относительно основной жидкокристаллической фазы. Но если при охлаждении к материалу приложить нужную механическую нагрузку (то есть вытягивать его в нужном направлении), то можно перевести его в основную жидкокристаллическую фазу. Таким образом, варьируя последовательность облучения, нагревания и охлаждения, можно управлять формой материала, переводя его в одно из трех состояний: временное «начальное», основное жидкокристаллическое и неупорядоченное изотропное.

Работоспособность такой схемы ученые проверили на небольшом плоском кусочке эластомера, который они свернули в складчатую структуру по схеме миуры. Эта форма была зафиксирована с помощью ультрафиолетового облучения, а затем ее изменяли за счет нагревания и охлаждения в пределах от 20 до 100 градусов Цельсия.

Превращения небольшой эластомерной пластинки, сложенной в миуровую структуру, при облучении, нагревании и охлаждении. Matthew K. McBride et al./ Science Advances, 2018

По словам авторов работы, в будущем подобный материал можно использовать в робототехнике и для создания светочувствительных механических элементов различных устройств. Кроме того, с помощью аналогичного подхода можно будет получать материалы с переключаемыми оптическим свойствами, адгезией или смачиванием.