Учёные из немецкого университета Эрлангена-Нюрнберга создали материал, который может менять свою форму и жёсткость под действием света. По сути, они построили искусственные мышцы из крошечных молекулярных машин. Эти структуры настолько малы, что их не разглядеть в обычный микроскоп, но, собранные вместе в огромном количестве, они способны выполнять настоящую физическую работу. Исследователи планируют использовать эту технологию для создания «умных» тканей, которые сами подстраиваются под внешние условия, или для объёмных дисплеев нового поколения, где картинка висит прямо в воздухе.
Как молекулы собирают в работающие механизмы
В основе разработки лежат молекулярные машины — простейшие механизмы размером с несколько десятков атомов. Руководитель проекта доктор Генри Дюбе уже умеет создавать отдельные детали: наномоторы, крошечные шестерёнки и нанопинцеты. Но чтобы заставить их трудиться сообща, нужно соединить эти детали в длинные цепочки-полимеры. В таком коллективе сотни тысяч молекул начинают двигаться синхронно — и их суммарных усилий хватает, чтобы совершить заметное глазу действие.
Биологический прообраз новой технологии
Авторы проекта признаются, что подсмотрели принцип работы у собственного организма. Человеческие мышцы сокращаются за счёт того, что особые белки скользят друг относительно друга, словно telescopic-штативы. Учёные копируют этот механизм, укладывая молекулярные блоки в строгой последовательности. От того, в каком порядке расположены блоки, зависит поведение будущего материала при включении света. Причём речь идёт не о хаотичном смешивании, а о сборке по чётко заданным правилам — так проектируют трёхмерные конструкции, где каждый винтик находится на своём месте.
«В зависимости от того, какие блоки мы объединяем в полимеры, мы можем создавать интеллектуальные материалы для самых разных областей», — пояснил доктор Дюбе.
Свет как пульт дистанционного управления
Управление такими мышцами происходит с помощью световых импульсов. Многие наномашины меняют свою геометрию, сталкиваясь с фотонами определённой длины волны. Это напоминает игрушечную фигурку-трансформера, только на атомном уровне. Смена формы часто сопровождается изменением цвета, что открывает дополнительную возможность — создание объёмных дисплеев. Представьте себе куб, внутри которого мерцает трёхмерное изображение, и его можно разглядывать с любой стороны. В отличие от лазерной гравировки по стеклу, такую картинку можно стереть и нарисовать новую простой сменой цвета подсветки. Свойства материала тоже становятся программируемыми:
- под синим лучом он может стать жёстким и несгибаемым;
- под красным — мягким и эластичным, как резина;
- промежуточные оттенки дают плавные переходы между этими состояниями.
Что могут делать умные ткани
Спектр возможных применений очень широк. Такие материалы можно будет вшивать в одежду, которая сама регулирует теплообмен или меняет плотность в зависимости от погоды. В робототехнике они заменят громоздкие электромоторы — достаточно направить на деталь луч фонарика, чтобы она согнулась или распрямилась. Для медицины это мягкие протезы, которые не травмируют ткани, или крошечные инструменты, способные проникать внутрь организма без разрезов.
Финансовая поддержка и планы на будущее
Фонд Volkswagen выделил на проект около 900 тысяч евро. Эти деньги пойдут на отработку технологии сборки полимеров и поиск оптимальных сочетаний блоков. В ближайшие четыре года исследователи намерены перейти от единичных молекул к полноценным образцам материала, который можно будет использовать в реальных устройствах. Отдельная задача — научиться заставлять разные участки одной и той же плёнки вести себя по-разному под локальной подсветкой, чтобы создавать сложные, динамичные формы.
Пока что технология находится на лабораторной стадии: образцы материала ещё очень малы, и для их изготовления требуется сложное оборудование. Однако сам принцип — построение макроскопических механизмов из атомов — выглядит многообещающе. Если учёным удастся наладить массовое производство таких полимеров, человечество получит материалы, которые смогут менять свои свойства по команде. А значит, исчезнет грань между конструкцией и исполнительным механизмом — предметы сами станут себе двигателями и сенсорами. Подробнее о проекте можно узнать в оригинальной публикации на портале Interesting Engineering.
