Из гидрогеля сделали сокращающиеся от света молекулярные мышцы
Американские химики разработали гидрогелевую молекулярную мышцу, которая сжимается под действием света за счет окислительно-восстановительных реакций. Такая мышца способна при облучении видимым светом передвигать объекты, превосходящие ее по массе, пишут исследователи в Macromolecular Rapid Communications.
Молекулярные моторы, мышцы, насосы и другие разнообразные типы молекулярных машин предназначены для совершения полезной работы за счет обратимого изменения собственной конфигурации. Внешний стимул, который приводит к такому изменению, может быть разной природы: изменение кислотности среды, влажности, или облучение светом. В последнем случае обычно используются механизмы фотоактивации, которая приводит к изомеризации азобензола или производных спиропирана. Такие реакции, как правило, основаны на переключении между цис- и транс-изомерами или поглощении света неорганическими наночастицами.
Химики из Вашингтонского университета в Сент-Луисе под руководством Джонатана Барнса (Jonathan C. Barnes) предложили использовать для работы фотоактивируемых молекулярных мышц окислительно-восстановительные реакции. Для этого исследователи выбрали фотокатализатор на основе рутения, который активируется при облучении видимым светом. В качестве основного компонента предложенных мышц ученые использовали гидрогель, который в основном состоял из полиэтиленгликоля (от 80 до 100 мольных процентов) с небольшими включениями поливиологена (от 0 до 20 мольных процентов) — материала, который активируется как раз с помощью реакции с переносом электрона.
Согласно предложенному авторами механизму, рутениевый фотокатализатор поглощает синий свет с длиной волны около 450 нанометров, что приводит к переносу электрона на поливиологен и его восстановлению. Процесс восстановления, в свою очередь, уменьшает силу электростатического отталкивания, выходу из структуры противоионов, складыванию полимерных цепочек и сокращению молекулярной мышцы.
Таким образом, просто посветив на гидрогель синим светом, можно запустить в нем окислительно-восстановительную реакцию и сжать его в 10 раз. Кроме того, ученые показали, что при помещении сжатой мышцы в насыщенную кислородом воду она может обратно расшириться, и, например гидрогель с 5 процентами поливиологена спокойно выдерживает не менее трех циклов сокращения/растяжения.
Если же из такого гидрогеля сделать молекулярную мышцу вытянутой формы и облучать ее только с одной стороны, то можно заставить ее искривляться. А если к кончику мышцы еще и прикрепить какой-нибудь объект, то таким образом можно поднимать его или перемещать в пространстве. Например, изначально прямую молекулярную мышцу массой 19 миллиграмм, содержащую пять процентов поливиологена, ученым удалось таким образом согнуть под углом в 90 градусов за 5 часов и передвинуть с помощью нее небольшой кусочек губки массой 20 миллиграмм (больше собственной массы мышцы) почти на 2,5 сантиметра.
Несмотря на то, что процесс сокращения мышц оказался довольно длительным, авторы работы сравнивают его с распусканием цветка под действием солнечного света, и говорят, что этот полностью аналогичный процесс, который проходит примерно с такой же скоростью.
По словам авторов исследования, представленный ими концепт молекулярной мышцы, которая сокращается при восстановлении и сжимается при окислении, вызванными фотоактивацией, может быть использован для разработки молекулярных машин. В будущем авторы работы планируют создать аналогичные системы с управлением при помощи электродов, а также приспособить подобные мыщцы для перемещения объемов большей массы.
Недавно похожий гидрогелевый материал, способный сжиматься и расширяться при изменении влажности, ученые предложили использовать для создания элементов самозакрывающихся крыш. Такие устройства, не требующие для своей работы источников питания, можно использовать, например, на крышах стадионов, которые будут автоматически закрываться во время начала дождя.
Александр Дубов
Сначала он помогает перовскиту быстрее закристаллизоваться, а потом снижает трение между соседними кристаллитами
Поливинилиденфторид сделал перовскитные солнечные элементы стабильнее и эффективнее. В процессе синтеза эта добавка помогает перовскиту быстрее закристаллизоваться, а во время эксплуатации выступает своеобразным амортизатором, снижая трение между соседними кристаллитами. Результаты исследования опубликованы в журнале Science. Перовскитная фотовольтаика развивается стремительными темпами. Однослойные перовскитные солнечные элементы уже показывают эффективность 25,7 процента, а тандемы кремний-перовскит в декабре прошлого года достигли эффективности 32,5 процента. Главным недостатком перовскитных солнечных элементов остается низкая стабильность. Перовскиты быстро деградируют в присутствии даже следовых количеств воды и кислорода. Высокие температуры также вредны для подобных материалов и особенно — для устройств на их основе. Нагревание ускоряет все губительные для перовскитов процессы — например, миграцию ионов и фазовые превращения. А при чередовании нагрева и охлаждения добавляется механический стресс от многократного расширения и сжатия разных слоев солнечного элемента. Заметно повысить термическую стабильность перовскитов сумели немецкие, британские, китайские и итальянские ученые под руководством Мэна Ли (Meng Li) и Антонио Абате (Antonio Abate) из Берлинского центра материалов и энергии имени Геймгольца (HZB). Ученые решили детально выяснить, как влияет процесс кристаллизации на качество перовскитной пленки и солнечного элемента на ее основе. Перовскитные пленки получают растворными методами — чаще всего накапыванием на вращающуюся подложку (spin-coating). Иодид свинца PbI2, иодид фармамидиния FAI, а также добавки бромида свинца и других солей растворяют в горячей смеси диметилформамида и диметилсульфоксида, и полученный раствор наносят на быстро вращающуюся подложку. Чтобы весь растворитель испарился, а перовскит закристаллизовался, подложки нагревают при температуре 100–200 градусов Цельсия в течение нескольких минут. Абате и Ли работали с перовскитом состава Cs0.05(FA0.98MA0.02)0.95 Pb(I0.98Br0.02)3. Дробные коэффициэнты означают, что часть катионов формамидиния заменены на катионы цезия и метиламмония, а часть анионов иода — на анионы брома. Чтобы управлять процессом кристаллизации, к раствору солей добавили поливинилиденфторид (pV2F). Этот полимер достаточно инертен и не реагирует с перовскитом. В то же время благодаря наличию отрицательно заряженного фтора и положительно заряженного водорода этот полимер может вступать с разными фрагментами перовскитной решетки в диполь-дипольное взаимодействие. Ученые проследили за процессом кристаллизации в реальном времени c помощью метода широкоуглового рентгеновского рассеяния. Оказалось, что длинные молекулы pV2F быстро координируются вокруг растущих перовскитных кристаллитов, оттесняя молекулы растворителя. Благодаря этому кристаллизация перовскита завершается быстрее — за 250 секунд против 350 секунд у образцов без добавок, а сами кристаллиты получаются более упорядоченными и с меньшим процентом пустот. На снимках сканирующей электронной микроскопии видно, что средний размер зерна увеличился с 400 до 480 нанометров, а размер шероховатостей уменьшился с 51 до 44 нанометров. Полученные из таких пленок солнечные элементы тоже работали лучше и показывали эффективность до 24,6 процента, а точно такие же ячейки без добавок — только до 22,3 процента Еще заметнее добавка полимера повлияла на стабильность устройств. Элементы с добавками pV2F выдержали 1000 часов работы в жестких условиях — при постоянной температуре 75 градусов Цельсия — и сохранили 88 процентов от начальной эффективности. У ячеек без добавок эффективность к концу эксперимента упала до 56 процентов от начальной. В таком же эксперименте при температуре 25 градусов Цельсия, ячейки с pV2F сохранили 96 процентов начальной эффективности а ячейки без добавок — только 84 процента. Кроме того ячейки с добавками pV2F выдержали 120 циклов термического стресса — охлаждения до минус 60 градусов Цельсия с последующим нагревом до 80 градусов Цельсия, сохраняя до 94 процентов начальной эффективности. У такого впечатляющего улучшения несколько причин. Во-первых, образование диполей на поверхности перовскита облегчило извлечение межфазного заряда и замедлило ионную миграцию. Во-вторых, перовскитный слой с добавками pV2F стал более гидрофобным, то есть менее уязвимым для проникновения молекул воды. Наконец, мягкие полимерные прослойки выступили своеобразными амортизаторами, уменьшая трение перовскитных кристаллитов друг о друга. Поэтому при нагревании и охлаждении перовскит деформировался меньше. Год назад мы рассказывали о базе данных по перовскитным солнечным элементам, разработкой которой руководила одна из соавторов описанной выше публикации — Эва Юнгер (Eva Unger). Вместей с Эвой девяносто четыре ученых из тринадцати стран проанализировали данные из пятнадцати тысяч публикаций. Полученная структурированная информация поможет исследователям наиболее полно сравнивать между собой данные и лучше формулировать гипотезы для новых экспериментов. Сейчас база данных доступна как для чтения, так и для загрузки новых результатов.