Эффект Терминатора. Японцы создали полимер, который дышит, ест свет и меняет свою "архитектуру"

Материалы будущего смогут перестраивать свою структуру по требованию, приспосабливаясь к условиям окружающей среды подобно живым организмам. Группа японских ученых создала супрамолекулярную полимерную систему, которая превращается в одномерные, двумерные или трехмерные структуры в зависимости от интенсивности освещения.

Исследователи из Университета Тибы утверждают, что их разработка может привести к появлению нового поколения высокоадаптивных "умных" материалов. Современные вещества, как правило, остаются статичными после формирования своей окончательной формы.

По сути такая небиологическая система изменяет структуру или состояние в зависимости от количества получаемой энергии, во многом напоминая живые организмы.

Исследование затрагивает фундаментальную проблему материаловедения: создание неравновесных молекулярных ансамблей — структур, существующих вне своего стабильного термодинамического состояния. Хотя предыдущие работы достигали подобных состояний с использованием внешней энергии, лишь немногие изобретения могли адаптивно реагировать на количество подводимой энергии.

"Наша группа долгое время занималась уникальными исследованиями, направленными на контроль нано- и мезомасштабных морфологий молекулярных ансамблей с помощью света", — рассказывает профессор Сики Ягай. Однако до сих пор команде не удавалось реализовать неравновесную систему, которая, подобно живым организмам, меняет структуру или состояние в зависимости от количества получаемой энергии.

Новаторство заключается в специально спроектированной молекуле, объединяющей светочувствительный азобензольный фрагмент с ядром на основе барбитуровой кислоты — мероцианином. Это уникальное сочетание позволяет материалу демонстрировать супрамолекулярный полиморфизм — способность формировать различные структуры сборки, как раз запускаемые и контролируемые фотонами.

Первоначально синтезированные молекулы организуются в одномерные скрученные нановолокна. При отсутствии возмущений в условиях обычного освещения они естественным образом переходят в более термодинамически стабильные двумерные нанолисты. Именно здесь начинается магия.

Когда двумерные нанолисты подвергли воздействию мощного ультрафиолетового излучения, исследователи наблюдали драматический разворот событий. Материал трансформировался обратно в одномерные линейные нановолокна.

Высокоскоростная атомно-силовая микроскопия — особый тип сверхточного "увеличительного стекла", способного разглядеть отдельные молекулы — показала причину этого превращения. Под действием света азобензольный фрагмент молекулы менял свою форму, словно складной нож, то открываясь, то закрываясь. Этот процесс смены конфигурации называется фотоизомеризацией. Когда молекулярный "нож" менял положение, он разрывал тонкие водородные мостики — слабые химические связи, которые, как невидимые ниточки, скрепляли плоские двумерные листы материала в единую структуру. Что интересно, превращение происходило именно вдоль определенных граней нанокристаллов, более открытых для светового воздействия.

Еще более поразительным оказалось поведение системы при облучении слабым ультрафиолетом. Просвечивающая электронная микроскопия и атомно-силовые наблюдения показали, что меньшие нанолисты разбирались, в то время как более крупные начинали расти вертикально, формируя сложные 3-мерные нанокристаллы. Этот процесс, известный как созревание Оствальда, включает растворение мелких структур и их переотложение на более крупные образования.

Высокоскоростная атомно-силовая микроскопия — сверхчувствительный прибор, способный наблюдать за движением отдельных молекул в реальном времени — детально запечатлела процесс роста кристаллов. Ученые увидели, как происходила вторичная нуклеация — появление новых центров кристаллизации прямо на поверхности уже существующих структур, словно почки на ветке дерева. Одновременно шло эпитаксиальное наращивание — явление, при котором новые слои материала аккуратно укладывались поверх старых, повторяя их кристаллическую решетку, как кирпичики в стене, где каждый следующий ряд точно повторяет рисунок предыдущего.

Исследование открывает дверь к новому поколению интеллектуальных материалов — от самовосстанавливающихся поверхностей и динамических сенсоров до адаптивных систем доставки лекарств и энергосберегающих технологий, способных реагировать на свое окружение.