Жидкокристаллические бусины с родамином Б помогли найти медь
Ученые из Тайваня и России создали чувствительный и селективный к ионам меди полимерный материал из производного родамина Б и жидких кристаллов. Сферические частицы изменяли цвет при взаимодействии с ионами меди в растворе. Из 13 исследованных ионов металлов материал селективно взаимодействовал только с ионами меди. По изменению поглощения электромагнитного излучения исследователи могли определять медь в растворах с концентрацией в пять микромоль на литр. Результаты исследования опубликованы в журнале Polymer Journal.
Низкие содержания металлов обычно определяют методами, которые требуют дорогостоящего оборудования, сложной подготовки проб и высокой квалификации людей, проводящих анализ. С целью упростить количественное определение ионов металлов в различных объектах, ученые разрабатывают сенсоры и новые методы. Часто в качестве чувствительных компонентов в сенсорах на тяжелые металлы используются производные родамина Б.
Цзюй-Сян Лю (Jui-Hsiang Liu) с коллегами из Национального Университета Чен Кун предположили, что при смешении со сферическими жидкими кристаллами молекулы с родаминовыми участками упорядочатся и расположатся на их поверхности, что сделает их доступными для ионов меди. Ученые получили сферические полимерные частицы смешиванием трех мезогенов, которые отвечали за структуру жидких кристаллов, и производных родамина, способных связывать ионы меди, и подействовали ультрафиолетом, инициировав фотополимеризацию материала.
В растворе меди полимерные «бусины» меняли свой цвет со светло-розового на темно-розовый. По степени изменения цвета ученые могли определить медь в растворах. Способность частиц селективно определять ионы меди в смеси с другими ионами металлов изучали с помощью спектроскопии в ультрафиолетовой и видимой областях электромагнитного спектра. Из 13 исследованных растворов, только тот, который содержал ионы меди, получил интенсивную окраску после двух часов после добавления синтезированных частиц.
Чтобы проверить применимость материала для анализа растворов с низкими содержаниями меди, ученые поместили раствор с концентрацией ионов в пять микромоль на литр и крупными полимерными частицами между кварцевыми пластинками и зеркалом. Затем регистрировали сигнал от зонда, отражающего ультрафиолетовый и видимый свет.
Жидкокристаллические полимерные частицы можно было использовать повторно до восьми раз, промыв раствором аммиака, который образовывал растворимые комплексные соединения с медью. По словам авторов, разработанные материалы пригодятся для применения в инженерии и экологических исследованиях, где необходим простой способ определения меди в водных растворах.
Жидкие кристаллы реагируют на воздействие электрических полей. Этот свойство позволило американским химикам создать прототип прозрачного материала для стекол самолетов, которое темнело при попадании на него лазерного луча.
Алина Кротова
При каждом нажатии он меняет структуру, не забывая о предыдущих изменениях
Физики создали механический метаматериал с эффектом памяти, который можно использовать как примитивный счетчик до десяти. Этот материал представляет собой массив из десяти деформируемых ячеек, каждая из которых может находиться в одном из двух состояний, меняющихся при нажатии. При этом предыдущих изменений материал не забывает. В будущем счетчики с подобной конструкцией могут оказаться полезными для мягкой робототехники и умных сенсоров, пишут ученые в Physical Review Letters. Свойства метаматериалов определяются в первую очередь не химическим строением, а геометрической микроструктурой (например, расположением слоев различных веществ или периодичностью атомной решетки) и для них характерны аномальные значения различных физических параметров. Например, если растягивать в продольном направлении ауксетики, обладающие отрицательным значения коэффициента Пуассона, то в перпендикулярном направлении они расширяются (в то время как обычные материалы сжимаются). Ученые работают и над метаматериалами, обладающими памятью: они запоминают воздействие и реагируют на него сменой физических свойств. Например, если нагреть полимер с памятью формы, он вернет исходную (до деформации) форму. Однако такие материалы запоминают лишь начальное состояние, запомнить несколько последовательно меняющихся состояний им не под силу. Физики Мартин ван Хеке (Martin van Hecke) и Леннард Квакернак (Lennard Kwakernaak) из Лейденского университета разработали метаматериал, у которого память о предыдущих деформациях не сбрасывается. Храня информацию о предыдущих воздействиях, такой материал фактически способен считать: он запоминает каждое нажатие, последовательно меняя свою структуру. Ученые сделали материал на 3D-принтере из стоматологической силиконовой смеси для слепков. Он состоит из отдельных ячеек, каждая из которых включает в себя две балки: одну тонкую и одну толстую. Тонкая балка может изгибаться либо влево, либо вправо. Толстая балка служит перегородкой, отделяя ячейки материала друг от друга. Значение критической деформации для толстой и тонкой балок различны, поэтому одного нажатия достаточно для сгибания тонкой балки и частичной деформации толстой. Наличие толстой балки также не дает деформироваться тонкой балке в соседней ячейке. Материал считает следующим образом. В начальном состоянии {000...0} все тонкие балки изогнуты влево. При каждом изменении направления изгиба тонкой балки 0 меняется на 1. Превышая первым нажатием критическую деформацию тонкой балки, систему выводят в состояние {100...0}. После каждого следующего нажатия крайняя слева балка изгибается в правую сторону. Толстая балка при этом не деформируется, но за счет конструкции сгибает следующую тонкую. То есть система копирует состояние изогнутой вправо тонкой балки (1) с каждым нажатием на одну ячейку правее. В терминах нулей и единиц, подсчет можно записать как {000...0} → {100...0} → {110...0}→··· → {111...1}. До скольки может досчитать материал, зависит от числа ячеек и начального состояния системы, память метаматериала сохраняется до конца подсчета. По словам авторов работы, такой метаматериал с эффектом памяти фактически представляет собой простейший компьютер, который можно запрограммировать на счет с любого начального числа. Его работу ученые проверили, фиксируя значения критических деформаций и начиная счет с различных начальных чисел. Материаловеды отмечают, что такой счетчик из метаматериала можно изготовить и из других веществ, например каучука или полиуретана. В будущем из аналогичных ячеек ученые планируют собирать и двумерные массивы, на которых можно будет проводить более сложные вычислительные операции Метаматериалы хороши не только в счете: они помогают решать уравнения со скоростью света, а еще их можно превратить в непрерывные кристаллы времени.