Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Бумага из пыльцы подсолнуха сымитировала раскрытие цветка магнолии

Имитация раскрытия бутона магнолии пыльцевыми бумажными лепестками

Ze Zhao / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020

Материаловеды сделали бумагу из пыльцы подсолнуха, которая за счет своей структуры может скручиваться в зависимости от влажности окружающей среды. С помощью этого эффекта они сделали искусственный цветок магнолии, который умеет раскрываться, а также самоходного биоробота. Статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Многие организмы подстраиваются под окружающие условия для выполнения своих биологических функций. Например, угол раскрытия сосновой шишки зависит от относительной влажности: в слишком влажных условиях шишка будет оставаться закрытой. Этот механизм работает из-за того, что белковые материалы, как шелк или коллаген, изменяют свою молекулярную конформацию в зависимости от влажности. На основе этого ученые создают искусственные мягкие приводы, которые могут изменять свои характеристики в зависимости от внешних условий. Ученые видят их применение в мягких роботах, искусственных мышцах, сенсорах и электрических генераторах.

Умные приводы на основе графена или синтетических полимеров дороги, сложно контролируемы и плохо утилизируемы, а потому нужны более дешевые материалы из природных и возобновляемых ресурсов. И, хотя такие природные материалы, как агароза и целлюлоза, уже используются, их выделяют из сырья и обрабатывают со значительными энергетическими затратами. Более того, некоторые приводы, сконструированные из природных полимеров, показывают слабую ответную реакцию на изменение внешних условий, и обычно они не годятся для циклических процессов изменения механических характеристик.

Цзе Джао (Ze Zhao) со своими коллегами из Наньянского технологического университета создал подвижную бумагу из пыльцы подсолнуха, которая способна к цикличным и обратимым изменениям при изменении влажности. Они представили метод преобразования мягких микрогелей из пыльцы в гибкие и прозрачные плоские листы, в которых двигательная сила варьируется толщиной листа или условиями производства.

Частицы пыльцы — природные микроконтейнеры, которые переносят генетический материал растения. Ученые давно их изучают благодаря практически неразрушимой структуре — пыльца должна сохранять свое содержимое при тяжелых неблагоприятных условиях. Пыльца состоит из двух слоев: жесткий спорополленин снаружи и мягкая целлюлоза внутри. Двойная связь эфирных и ацетальных групп способствует большой механической жесткости и химической инертности спорополленина.


Материаловеды смогли получить из жестких частиц мягкие микрогели с помощью двухстадийного процесса мыловарения: обезжиренная пыльца подсолнуха нагревалась вместе с щелочью в течение двух часов, промывалась несколько раз свежей щелочью, затем снова нагревалась и промывалась деионизированной водой, а после этого разгонялась на центрифуге. Таким образом получался густой микрогель, из которого можно получить бумагу простым выпариванием воды. Из частицы пыльцы диаметром в 30 микрометров подобными преобразованиями при втором выщелачивании за 6 часов получается плоская частица с диаметром в 43 микрометра. При более длительной второй стадии выщелачивания частица теряет больше механической жесткости, что помогает ей набухать при гидратации и становиться более плоским при дегидратации. Бумага из пыльцы проявляет высокую гибкость и имеет две совершенно разные поверхности: матовый верх, выдерживаемый на воздухе, и глянцевый низ, получившийся из-за контакта с литейной формой во время испарения воды.


Вода асимметрично встраивается в пространство между слоями пыльцевых частиц, которые выступают в качестве барьеров, и ослабляет водородные связи между ними. За счет этого она увеличивает размер нижней поверхности бумаги. Верхняя поверхность бумаги же не изменяет свой размер, а потому увеличение нижней поверхности ведет к скручиванию листа. Если прямой лист бумаги из пыльцы положить на поверхность воды, то он сначала быстро скрутится, а затем будет медленно выпрямляться из-за диффузии воды в верхний слой. А если положить такую бумагу на ладонь, то за счет пота она свернётся, и чтобы вернуть бумагу в первоначальный вид, нужно лишить её доступа к воде — например, положить её на ладонь в перчатке. Материаловеды положили лист бумаги из пыльцы на нейлоновую сетку над водяной баней и наблюдали за скручиванием и раскручиванием: чем больше время выдержки в щелочи, тем быстрее лист будет скручиваться.


В качестве примеров применения ученые сделали лепестки из этой бумаги в форме цветка магнолии — при погружении в воду такой бутон раскрывался, как настоящий цветок. Для подтверждения своей гипотезы, что специфическое движение можно получить за счет разной выдержки в щелочи отдельных частей листа, они сделали полоску бумаги, которая двигалась в одном направлении только лишь на процессах сорбции-десорбции воды.


Все чаще ученые вдохновляются процессами живой природы. Три года назад немецкие ботаники изучили процесс раскрытия сосновой шишки и предложили использовать такие материалы для автоматических крыш, которые будут самостоятельно закрываться во время дождя.

Артем Моськин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.