Бумага из пыльцы подсолнуха сымитировала раскрытие цветка магнолии
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
Сначала он помогает перовскиту быстрее закристаллизоваться, а потом снижает трение между соседними кристаллитами
Поливинилиденфторид сделал перовскитные солнечные элементы стабильнее и эффективнее. В процессе синтеза эта добавка помогает перовскиту быстрее закристаллизоваться, а во время эксплуатации выступает своеобразным амортизатором, снижая трение между соседними кристаллитами. Результаты исследования опубликованы в журнале Science. Перовскитная фотовольтаика развивается стремительными темпами. Однослойные перовскитные солнечные элементы уже показывают эффективность 25,7 процента, а тандемы кремний-перовскит в декабре прошлого года достигли эффективности 32,5 процента. Главным недостатком перовскитных солнечных элементов остается низкая стабильность. Перовскиты быстро деградируют в присутствии даже следовых количеств воды и кислорода. Высокие температуры также вредны для подобных материалов и особенно — для устройств на их основе. Нагревание ускоряет все губительные для перовскитов процессы — например, миграцию ионов и фазовые превращения. А при чередовании нагрева и охлаждения добавляется механический стресс от многократного расширения и сжатия разных слоев солнечного элемента. Заметно повысить термическую стабильность перовскитов сумели немецкие, британские, китайские и итальянские ученые под руководством Мэна Ли (Meng Li) и Антонио Абате (Antonio Abate) из Берлинского центра материалов и энергии имени Геймгольца (HZB). Ученые решили детально выяснить, как влияет процесс кристаллизации на качество перовскитной пленки и солнечного элемента на ее основе. Перовскитные пленки получают растворными методами — чаще всего накапыванием на вращающуюся подложку (spin-coating). Иодид свинца PbI2, иодид фармамидиния FAI, а также добавки бромида свинца и других солей растворяют в горячей смеси диметилформамида и диметилсульфоксида, и полученный раствор наносят на быстро вращающуюся подложку. Чтобы весь растворитель испарился, а перовскит закристаллизовался, подложки нагревают при температуре 100–200 градусов Цельсия в течение нескольких минут. Абате и Ли работали с перовскитом состава Cs0.05(FA0.98MA0.02)0.95 Pb(I0.98Br0.02)3. Дробные коэффициэнты означают, что часть катионов формамидиния заменены на катионы цезия и метиламмония, а часть анионов иода — на анионы брома. Чтобы управлять процессом кристаллизации, к раствору солей добавили поливинилиденфторид (pV2F). Этот полимер достаточно инертен и не реагирует с перовскитом. В то же время благодаря наличию отрицательно заряженного фтора и положительно заряженного водорода этот полимер может вступать с разными фрагментами перовскитной решетки в диполь-дипольное взаимодействие. Ученые проследили за процессом кристаллизации в реальном времени c помощью метода широкоуглового рентгеновского рассеяния. Оказалось, что длинные молекулы pV2F быстро координируются вокруг растущих перовскитных кристаллитов, оттесняя молекулы растворителя. Благодаря этому кристаллизация перовскита завершается быстрее — за 250 секунд против 350 секунд у образцов без добавок, а сами кристаллиты получаются более упорядоченными и с меньшим процентом пустот. На снимках сканирующей электронной микроскопии видно, что средний размер зерна увеличился с 400 до 480 нанометров, а размер шероховатостей уменьшился с 51 до 44 нанометров. Полученные из таких пленок солнечные элементы тоже работали лучше и показывали эффективность до 24,6 процента, а точно такие же ячейки без добавок — только до 22,3 процента Еще заметнее добавка полимера повлияла на стабильность устройств. Элементы с добавками pV2F выдержали 1000 часов работы в жестких условиях — при постоянной температуре 75 градусов Цельсия — и сохранили 88 процентов от начальной эффективности. У ячеек без добавок эффективность к концу эксперимента упала до 56 процентов от начальной. В таком же эксперименте при температуре 25 градусов Цельсия, ячейки с pV2F сохранили 96 процентов начальной эффективности а ячейки без добавок — только 84 процента. Кроме того ячейки с добавками pV2F выдержали 120 циклов термического стресса — охлаждения до минус 60 градусов Цельсия с последующим нагревом до 80 градусов Цельсия, сохраняя до 94 процентов начальной эффективности. У такого впечатляющего улучшения несколько причин. Во-первых, образование диполей на поверхности перовскита облегчило извлечение межфазного заряда и замедлило ионную миграцию. Во-вторых, перовскитный слой с добавками pV2F стал более гидрофобным, то есть менее уязвимым для проникновения молекул воды. Наконец, мягкие полимерные прослойки выступили своеобразными амортизаторами, уменьшая трение перовскитных кристаллитов друг о друга. Поэтому при нагревании и охлаждении перовскит деформировался меньше. Год назад мы рассказывали о базе данных по перовскитным солнечным элементам, разработкой которой руководила одна из соавторов описанной выше публикации — Эва Юнгер (Eva Unger). Вместей с Эвой девяносто четыре ученых из тринадцати стран проанализировали данные из пятнадцати тысяч публикаций. Полученная структурированная информация поможет исследователям наиболее полно сравнивать между собой данные и лучше формулировать гипотезы для новых экспериментов. Сейчас база данных доступна как для чтения, так и для загрузки новых результатов.