Физики заставили полимерные шайбы скакать вверх по лестнице

Физики впервые создали пружину, которая срабатывает несколько раз без внешнего вмешательства. В зависимости от формы это либо резко сгибающиеся и разгибающиеся полоски, либо прыгающие шайбы. Шайбы удалось даже заставить прыгать вверх по лестнице, чтобы измерить суммарную высоту прыжков. Подобные механизмы есть в стеблях плотоядных растений, говорится в статье, опубликованной в Nature Materials.

Стебель плотоядного растения, способный резко выгибаться для поимки добычи, это не что иное, как пружина с затвором. Как следует из названия, системы такого типа состоят из объекта с запасом потенциальной энергии (например, сжатая пружина) и затвора — механизма не дающего пружине разжаться. Отдельный класс пружин составляют объекты с затворами геометрического типа, в которых существует нестабильный изгиб, при размыкании которого происходит выброс накопленной в пружине потенциальной энергии. Эти процессы часто используются растениями и грибами. Движущей силой в этом случае выступает осмотическое давление, или проще говоря набухание материала пружины жидкостью. Например, плотоядные растения Utricularia и D. Muscipula используют его в своих листьях, которые могут резко прогибаться в обе стороны для поимки насекомых.

Такие механизмы уже не первый раз вдохновляют ученых на создание чего-то подобного, но до сих пор ни у кого не получилось достигнуть многократного выгибания пружины без внешнего вмешательства — пружина срабатывает один раз, после чего для повторения процесса ее необходимо вручную вернуть в исходное положение. В природе конструкции такого рода работают многократно за счет сложных механизмов саморегуляции восстановления, которые пока не получалось воспроизвести в лаборатории.

Физики Йончин Ким (Yongjin Kim) и Альфред Кросби (Alfred Crosby) из Массачусетского технологического института вместе с Джеем ван дер Бергом (Jay van den Berg) из Делфтского технологического университета создали полимерную пружину с многократным срабатыванием. Для этого они использовали полидиметилсилоксан с н-гексаном, так как эта система хорошо описана и ее свойства достаточно предсказуемы. Поскольку образцы полимера прозрачные, авторы подкрасили их диоксидом титана. 

Сначала они сделали из полимера тонкие полоски и полностью смочили их в н-гексане. Толщина полоски составила около 0,2 миллиметров, ширина — около 5 миллиметров, длина — порядка 60 миллиметров. Смоченную растворителем полоску поместили на поверхность из черного политетрафторэтилена, чтобы минимизировать фактор трения об поверхность. В течение следующих 90 секунд, по мере высыхания полоски, она многократно изгибалась, причем движения были как плавные, так и резкие. Для оценки доли каждого из типов движений ученые измеряли скорости движения концов полоски и ее центра тяжести. Средняя скорость центра тяжести составила около 0,007 метров в секунду, тогда как максимальная скорость достигла 0,2 метров в секунду. Средняя скорость движения концов полоски составила около 0,018 метров в секунду, а максимальная — около 1,1 метра в секунду. 

На основе уже имеющихся исследований ученые предположили, что такое поведение полимерных полосок связано в неравномерным испарением растворителя. По мере испарения с поверхности часть растворителя остается в объеме полимера, что создает внутреннюю продольную нагрузку и обуславливает выгибание полоски в обратную нынешнему изгибу сторону. Авторы попробовали заменить н-гексан на толуол. Оказалось, что максимальная скорость изгиба не зависит от растворителя, при этом количество повторяющихся выгибаний с толуолом увеличилось. Это связано с тем, что толуол более тяжелый растворитель и скорость испарения у него меньше, чем у н-гексана, что и позволяет пружине срабатывать большее количество раз.

Проведенные с тонкой полимерной полоской эксперименты показали, что поведение объектов такого типа сильно зависит от их формы. Поэтому авторы сделали круглые шайбы и провели аналогичный опыт: смочили шайбу н-гексаном и наблюдали за ее поведением по мере высыхания. Оказалось, что изначально ровная шайба сначала выгибается вверх, после чего резко выгибается вниз и взлетает вверх. Как и в случае с тонкой полоской, этот эффект обусловлен неравномерностью испарения растворителя, и создающимся из-за этого напряжением. Интересно, что шайба подпрыгивала несколько раз без дополнительного смачивания растворителем. При этом суммарная высота всех прыжков составила 8,5 сантиметров. Чтобы измерить этот параметр, физики построили лестницу с наклонными ступенями, прыгая по которым шайба оказывалась все выше и выше.

Таким образом, ученые впервые продемонстрировали искусственный пружинный механизм, который срабатывает несколько раз без внешнего вмешательства. Такой эффект был достигнут за счет полимера пропитанного жидкостью, которая постепенно растворяясь создает внутреннее напряжение.

Это не первый случай, когда искусственные полимерные материалы повторяют за растениями. Например, недавно физики научили полимерные стержни тянуться за источником света.

Егор Длин