Микрокристаллы научили ползать и крутиться при смене кристаллической структуры

Движение кристалла за счет вращения при понижении температуры

T. Taniguchi et al./ Nature Communications, 2018

Японские химики получили монокристаллические микрочастицы, движением которых можно управлять с помощью изменения температуры, из-за которого происходит фазовый переход между двумя кристаллическими состояниями. Органический кристалл продолговатой формы на основе азобензола может таким образом двигаться, быстро вращаясь вокруг своей оси или медленно переползая с места на место, подобно червяку, пишут ученые в статье в Nature Communications.

Для того, чтобы управлять перемещением микророботов, состоящих из одного или нескольких кристаллов, обычно используют магнитное или электрическое поле. С помощью такого подхода обычно удается или перемещать всю микрочастицу целиком, или изменять взаимное расположение ее отдельных элементов, так что микроробот при этом складывается и раскрывается, захватывая и перемещая небольшие объекты. Альтернативным подходом может быть использование отдельных кристаллов, движение которых происходит за счет изменения их формы: изгиба, сжатия и расширения. Такое движение обычно возбуждают с помощью фотомеханической активации или за счет изменения температуры окружающей среды.

Последним из этих способов решили воспользоваться японские химики под руководством Хидеко Косимы (Hideko Koshima) из Университета Васэда. Ученые предложили управлять движением кристаллов, используя обратимые фазовые переходы, при которых происходит полная смена кристаллической структуры монокристалла. Такой фазовый переход возможен, например, для хиральных органических монокристаллов. Поскольку за счет смены структуры кристалла при фазовом переходе меняется и его геометрия, то его можно использовать и для перемещения.

Кристалл, для которого характерен подобный фазовый переход, ученые получали из хиральных органических молекул на основе азобензола. Чтобы искривление формы кристалла можно было использовать для перемещения, авторы работы предложили синтезировать кристаллы в форме плоских иголок длиной от 8 до 9 микрометров, шириной от 50 до 200 микрометров, и толщиной от 50 до 70 микрометров. При этом важной особенностью кристаллов было то, что или ширина, или толщина кристалла от одного края к другому уменьшалась примерно в два раза.

Для такого соединения характерен фазовый переход, вызванный сменой структуры водородных связей, при температуре около 144 градусов Цельсия. Для обеих кристаллических модификаций между которыми происходит переход, характерна одна и та же группа симметрии, но немного разные параметры решетки. При этом при смене структуры по двум измерениям кристалл уменьшается, а по третьему — наоборот, увеличивается. За счет такого перехода и правильно выбранной геометрии монокристаллическую частицу из этого соединения можно сгибать и разгибать, уменьшая или увеличивая температуру относительно 144 градусов.

Для выбранной геометрии максимальный угол изгиба изначально ровного кристалла составил около 15 градусов. Благодаря этому в кристалле можно вызвать два типа движений: медленное передвижение за счет сжатия и растяжения при котором кристалл медленно переползает, подобно червяку, или быстрое движение за счет вращения вокруг своей главной оси.

Чтобы вызвать переползание кристалла, ученые использовали кристалл с изменяющейся толщиной и периодически меняли температуру от 139 до 154 градусов со скоростью около 1 градуса в секунду. При повышении температуры после преодоления критического значения кристалл начинает медленно изгибаться, при этом широкий край кристалла перемещается больше, чем узкий. При снижении температуры кристалл распрямляется, и принимает начальную форму. За счет последовательных сгибаний и разгибаний такой кристалл может переползать вдоль свой главной оси со скоростью от 1 до 3 миллиметров в час.

Что более удивительно, при быстром охлаждении или нагреве (не циклическом, как в предыдущем случае, а однократном) кристалл такого же состава, но в котором вдоль его длины меняется не толщина, а ширина, может совершать значительно более быстрые вращательные движения вокруг своей оси. При нагреве вращение начинается еще до критической температуры, а механизм такого движения основан на том, что последовательное искривление и распрямление кристалла приводит к его перевороту кристалла, которое затем приводит к вращению кристалла с большой скоростью. Авторы отмечают, что скорость поступательного движения при вращении на несколько порядков выше скорости при переползании и составляет до 5 миллиметров в секунду.

По словам авторов работы, предложенные ими способы управляемого движения кристаллов двумя способами с разной скоростью в будущем могут быть использованы при разработке кристаллических микророботов, в первую очередь для медицинских применений.

Разработке кристаллических микророботов для выполнения простейших медицинских задач. Так, с помощью микроробота, состоящего из шести полимерных кубиков, покрытых металлом, можно перемещать с помощью магнитного поля небольшие объекты, например одиночные клетки. А более сложные микророботы могут открываться и закрываться при изменении температуры окружающей среды.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.