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