Система из двух гидрогелей сохранила постоянную температуру в изменяющихся условиях

Финские исследователи разработали систему из двух расположенных рядом гидрогелей, которая способна к саморегуляции и поддерживает свою температуру в узком диапазоне значений несмотря на меняющиеся внешние условия — прямо как живые организмы. Ученые поместили два гидрогеля в стеклянную трубку и светили на один из них лазером. Затем пучок света отражался от зеркала и нагревал второй гель, который передавал тепло первому. Он мутнел и переставал пропускать луч, а вся система охлаждалась. Тогда процесс начинался снова. Это не только сохраняло стабильное состояние материала, но и позволило ученым создать несколько интересных механизмов, которые динамически реагируют на окружающую среду и даже прикосновения. В статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology, они говорят, что такая технология — важный шаг в развитии интерактивных материалов и мягкой робототехники.

Способность открытой системы сохранять относительное постоянство своего внутреннего состава и свойств при взаимодействии с окружающей средой называют гомеостазом. Для его поддержания биологические структуры от отдельных клеток до целых организмов используют петли обратной связи — ответные реакции на действие внешних факторов. Например, люди сохраняют температуру тела, которая вне зависимости от сезона или времени суток колеблется в небольшом промежутке значений от 36,6 до 37 градусов. Если становится слишком жарко, мы потеем, чтобы остыть. Также в постоянном диапазоне находятся наше кровяное давление и частота сердечных сокращений. Другой пример — циклические колебания интенсивности различных биологических процессов, связанные со сменой дня и ночи, у животных и растений, которые называют циркадными ритмами. Эти гомеостатические системы делают живые организмы устойчивыми к изменению внешних условий.

Подобные биологические процессы в биологических организмах, например то, как растения реагируют на механические раздражители, вдохновляют исследователей на создание динамических синтетических материалов. Например, исследователи прогнозируют создание материи, которая может взаимодействовать с окружающей средой, реагируя на внешние раздражители и адаптируя свою внутреннюю структуру. Однако для того, чтобы имитировать поведение живых организмов в неравновесных условиях, нужно достичь большего понимания физических и химических реакций в петлях обратной связи гомеостатических систем.

Шаг к созданию материалов нового поколения сделали ученые из Университета Аалто и Университета Тампере под руководством Хан Чжана (Hang Zhang) и Хао Цзэна (Hao Zeng). Они разработали систему, состоящую из двух расположенных рядом гидрогелей с разными свойствами, которые взаимодействуют между собой и сохраняют свое состояние, в данном случае — температуру, в пределах узкого диапазона значений. При этом даже сами гели, состоящие из мягких полимеров, набухающих в воде, похожи на ткани организмов — как правило, мягкие, эластичные и деформируемые.

Ученые ковалентно поместили два сопряженных нанофункционализированных гидрогеля в стеклянную трубку, чтобы предотвратить набухание. Через один из гелей, чувствительный к температуре и состоящий из термочувствительного полимера Поли(N-изопропилакриламид) с наноканалами, проходил лазерный луч. При температуре первого геля ниже нижней критической — около 36 градусов — он прозрачен. Лазерный пучок с длиной волны 532 нанометров беспрепятственно проходит через него. Затем свет отражался от зеркала, которое закрепили перед системой, и попадал на второй, светопоглощающий полиакриламидный гель, содержащий наночастицы золота. Они нагревались и гель постепенно передавал тепло первому гелю, который, соответственно, постепенно нагревается.

Однако как только температура превышала нижнюю критическую, происходил фазовый переход, и гель начинал терять свою прозрачность. Это изменение не позволяло лазеру проникать через него и достигать зеркала, а соответственно, нагревать второй гель. В результате оба гидрогеля начинали охлаждаться до тех пор, пока первый снова не становился прозрачным, пропускал луч света, и весь процесс начинался снова.

В результате расположение лазера, гелей и зеркала создавало петлю обратной связи, которая поддерживала определенную температуру системы — она колебалась, но оставалась в пределах небольшого и устойчивого к внешним стимулам диапазона.

Для того, чтобы проверить эту устойчивость, ученые имитировали влияние на систему распространенных явлений естественной среды — ветра и воды. Они охлаждали гели с помощью направленного потока воздуха, и даже слабый воздушный поток 0,3 ± 0,1 метра в секунду приводил к увеличению среднего значения и амплитуды температуры нагрева, при этом температура в точке пропускания осталась на уровне около 36 градусов — система адаптировалась, компенсируя потери тепла. Также исследователи изменяли мощность луча лазера и расстояние между пятном нагрева и точкой пропускания. Эффект был таким же. Так они доказали, что чрезмерно сильные стимулы могут временно вывести систему из устойчивого состояния, но после их устранения она возвращается к начальным условиям.

Ученые попробовали использовать различные красители, которые служили индикаторами достижения гелями определенных температур — так они продемонстрировали потенциал разработки для визуальной сигнализации.

Они продвинулись еще дальше и в ряд разместили на трубках жидкокристаллические эластомеры, которые выглядели как вертикальные плавники и деформировались при нагреве трубок. Циклические колебания температуры системы заставляли плавники двигаться, но не синхронно, а с задержкой в несколько секунд, поскольку находились они на разных расстояниях от пятна нагрева. Когда на вершинах плавников разместили маленький кусок бумаги, из-за колебаний он стал горизонтально смещаться. Скорость поступательного движения была всего 200 микрометров в минуту, но так ученые показали, что их разработку можно использовать для создания автономных активных транспортных систем.

Затем исследователи создали две системы, которые реагируют на механические раздражители. Определенное прикосновение к гелям выталкивало их из устойчивого состояния, а происходящее в результате изменение температуры вызывало деформацию механических компонентов, расположенных на трубке. В одном случае реакцию и деформацию механического компонента вызывало одно прикосновение — так же мимоза стыдливая (Mimosa pudica) складывает листья при поглаживании. В другом — только на повторяющиеся прикосновения, такой механизм напоминает венерину мухоловку (Dionaea muscipula), которой нужно дотронуться дважды за 30 секунд, чтобы она захлопнулась.

В результате система вела себя гомеостатически, как живой организм, а проведенные эксперименты продемонстрировали, что ее можно использовать при создании автономных датчиков, умных материалов или мягких роботов.

Гидрогели пригождаются ученым в самых разных сферах. Например, они могут поглощать воду из воздуха, помогают перенести фрагменты мягких тканей без повреждения и даже повышают эффективность вакцин.