Ученые сделали искусственные движущиеся реснички, которые управляются магнитным полем и светом. Они держат форму при сгибании, но, в то же время, их можно заставить застыть во временном положении, из которого они по сигналу сами обратно вернутся в постоянную. В основе лежит полимер с памятью формы, в который замешаны магнитные и светопоглощающее компоненты. Статья опубликована в журнале Advanced Materials Technologie.
Живые организмы для перемещения жидкостей или твердых частиц зачастую используют движущиеся реснички. Это тонкие органеллы, похожие на волоски или ворсинки. Если реснички расположены вдоль какого-то протока или канала, то синхронно сгибаясь и разгибаясь они будут продвигать вдоль него влагу, пищу или отходы. Например, за счет этого очищается дыхательный эпителий человека, где реснички постепенно проталкивают легочную слизнь вверх в глотку, в которой она проглатывается.
Если создать искусственные аналоги этих органелл, то их можно будет применять в тех местах, которые слишком узки для размещения полноценных насосов, например для циркуляции воды в тонких трубках. Кроме того, это позволит создавать эффективные микроконвейеры для мелкодисперсных частиц вроде песка и пыли.
Джессика Лиу (Jessica Liu) из Университета Северной Каролины и ее коллеги сделали реснички, которые не только могут двигаться по команде, но и твердо застывать в требуемом положении. Для этого ученые взяли за основу упругий полимер с памятью формы, замешали в него мелкие магнитные частицы на основе железа и светопоглощающие компоненты из золота. Для изготовления ресничек не требуется ни отливка в форме, ни резьба. Плоскую не застывшую заготовку помещают в сильное магнитное поле, и композит вытягивается вдоль его силовых линий, после чего охлаждается и застывает. Длину ворсинок можно варьировать от 500 микрон до трех миллиметров, добавляя в пластик присадки при отливке.
Изготовленными ресничками можно управлять несколькими способами. Для придания постоянной формы их необходимо нагреть до 180 градусов, после чего механически прижать в нужную сторону. После этого реснички можно сгибать или разгибать при помощи магнита, причем в обратную сторону они будут возвращаться за счет сил упругости. Если в согнутом состоянии их освещать светодиодом в течение примерно четырех минут, то полимер слегка нагреется, размякнет и застынет в новой форме.
Однако, используемый пластик обладает памятью формы. Материалы такого типа могут запоминать несколько состояний, которые переключаются при помощи триггеров: нагрева, магнитного поля или химического воздействия. Триггером для выбранного полимера является повышение температуры, и при нагревании до примерно 80 градусов он стремится восстановить форму, которая была задана при 180 градусах, чему при выключенном магните ничего не мешает.
За счет этого потенциально будет возможным не только перемещение материалов по высланному ресничками каналу, но и, например, локализация этого перемещения. Предположим, базовая форма всех ворсинок — согнутая, и для их выпрямления включается магнит. Мы можем на время зафиксировать все реснички в вытянутом положении, взять узконаправленный светодиод и закрепить их в таком виде в какой-то отдельной точке. После этого попавшие под диод ворсинки будут зафиксированы в крайнем положении, и магнит не будет активировать эту зону.
Химики регулярно изготавливают пластмассы с необычными свойствами. Например, некоторые из них могут самозаживляться, или быть прозрачными проводниками. В качестве развлечения с их помощью можно надувать гигантские мыльные пузыри площадью в многие кубометры.
Василий Зайцев