Американские ученые создали полимерный наноструктурный материал, способный как растение изгибаться в сторону источника света. За счет разницы температур в стержне из нового материала, вызванной локальным нагревом светочувствительных наночастиц, он гнется до тех пор, пока не будет направлен в сторону падения луча. Новый материал может в четыре раза повысить эффективность устройств преобразования энергии света, говорится в исследовании, опубликованном в Nature Nanotechnology.
Многие живые организмы способны двигаться под действием вешних факторов среды: клетки и бактерии, например, могут мигрировать в сторону повышения концентрации питательных веществ, а растения ориентируют свои органы перпендикулярно падающему свету для большей эффективности получения энергии.
Ученые уже искусственно создавали чувствительные к свету материалы, однако изменения формы определялись различием ориентаций молекул в материале, а не расположением источника света. Деформации сильно зависели от температуры, интенсивности света и других внешних факторов, что усложняло контроль над движениями материала.
Сяоши Цянь (Xiaoshi Qian) с коллегами из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе создали искусственные фототропные стержни из различных фоточувствительных полимеров. Аналогично механизму, который используется растениями (удлинение клеток в затемненных участках стебля), авторы использовали материалы, которые сжимались при попадании света и увеличении температуры так, что стержень асимметрично деформировался.
Для демонстрации принципа ученые исследовали поведение четырех материалов: термочувствительного гидрогеля с наночастицами золота или восстановленного оксида графена в качестве фоторецепторов; сополимера этого гидрогеля с полиакриламидом и светочувствительным полипироллом; другого гидрогеля с полианилином в качестве поглотителя света; а также жидкокристаллического эластомера с красителем индиго.
Искусственный фототропизм происходил благодаря нескольким физическим процессам: преобразование энергии фотонов в тепловую, диффузия веществ под действием тепла и механическая деформация. Свет вызывал в нанофотопоглотителях плазмонный резонанс и точечный нагрев освещенных участков гидрогеля, в результате чего они сжимались и стержень поворачивался до тех пор, пока не исчезала разница температур, то есть пока он не оказывался направлен в сторону падения света. Когда освещение прекращалось, стержень возвращался в исходное недеформированное положение, а при падении нового луча снова быстро (на один градус за три сотые секунды) реагировал на изменение его угла.
Несколько таких стержней, расположенных на одной поверхности, могли отклоняться от оси в сторону падения света на 84 градуса, обеспечивая в четыре раза большую возможность преобразования энергии света в тепловую, чем статичные фотопреобразователи.
Авторы исследования продемонстрировали принцип на четырех материалах. По их словам, подобным образом могут себя вести и другие гидрогели, жидкокристаллические эластомеры и полимеры на основе азобензола или спиропирана.
Приводить в движение под действием света можно не только полимеры. Например, группа гонконгских химиков создали из кремния, платины и оксида титана микропловцов, управляемых светом. Их перемещение обеспечивалось взаимодействием зарядов в них с полем, которое возникало в результате фотохимической реакции.
Алина Кротова