Белок шелка превратили в управляемый светом и магнитным полем композит

Meng Li et al. / PNAS, 2018

Американские ученые создали композиционный материал, способный менять свои магнитные свойства при нагревании светом. Если вызванный нагреванием фазовый переход происходит возле магнита, потерявший свои ферромагнитные свойства материал начинает двигаться относительно него, пишут авторы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Авторы использовали этот эффект в создании нескольких устройств-прототипов, среди которых были управляемый светом мотор и захват для легких предметов.

Поскольку электромоторы не всегда удобно применять в различных устройствах, ученые разрабатывают альтернативные виды актуаторов. В них используются разные принципы работы: некоторые работают на изменении внутреннего давления, другие используют проходящий по ним электрический ток для изменения своей формы. В обоих случаях актуатор должен быть подключен к источнику давления или тока. Тем не менее, существуют и независимые актуаторы, основанные на внешних стимулах, таких как свет, магнитное поле и нагревание.

Фьоренцо Оменетто (Fiorenzo Omenetto) и его коллеги из Университета Тафтса и Лос-Аламосской национальной лаборатории создали материал, форму которого можно менять с помощью всех этих стимулов. Он представляет собой композит из эластичной матрицы и частиц оксида хрома CrO2 диаметром около десяти микрометров. Исследователи выбрали частицы именно этого материала, потому что он проявляет ферромагнитные свойства при комнатной температуре, но его точка Кюри (температура фазового перехода, в данном случае вызывающего переход в парамагнитное состояние) находится на уровне 110-120 градусов Цельсия, что достаточно низко для удобного управления магнитными свойствами. В качестве материала матрицы ученые применяли два разных материала — полидиметилсилоксан (PDMS) и белок фиброин, составляющий основу шелка.

Для того, чтобы облучение светом и вызванный этим нагрев приводили в движению материала, необходимо, чтобы он находился в магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом или электромагнитом. Если материал находится достаточно близко с магниту, он будет менять свою форму и поддерживать ее в таком положении. После того, как лазерный луч большой интенсивности нагревает материал, оксидные частицы в нем теряют свои ферромагнитные свойства и композит больше не испытывает мощную притягивающую силу от магнита и распрямляется.

Исследователи использовали этот принцип в нескольких простых устройствах-прототипах. К примеру, они создали захват для легких предметов, состоящий из единого крестообразного фрагмента материала. Изначально полоски материала расположены вокруг предмета и удерживают его. Кроме того, находящийся рядом магнит оказывает воздействие на полоски захвата, не давая им распрямляться, а также перемещаться от него. После того, как лазерный луч нагревает захват, магнитное поле больше не удерживают его и он начинает подниматься под действием разгибающегося оптоволокна над ним и высвобождает объект.

Также ученые создали простой двигатель, состоящий из фрагмента композита в виде шестеренки, расположенного рядом с магнитом. После того, как лазер освещает один из зубцов шестерни, баланс сил, оказываемых магнитным полем, меняется, и колесо начинает двигаться.

Ранее ученые создавали другие материалы, меняющие свою форму под действием света. Недавно ученые из Гонконга создали многослойный материал, который высвобождает молекулы воды под действием света и сжимается. При этом материал может использовать не только мощный лазерный луч, но и, к примеру, солнечный свет на улице. А другая группа исследователей создала искусственные мышцы из гидрогеля, способные сокращаться под действием облучения видимым светом.

Григорий Копиев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.