Самоорганизация частиц как основа для «умных» материалов.

Группа физиков провела исследование, результатом которого стало своеобразное доказательство оправданности инновационной концепции разработки и производства материалов, основополагающим свойством которых является чётко определенная связь между частицами. За весь сыр-бор ответственен механизм, обнаруженный в ходе наблюдений за ДНК, благодаря чему стало известно как именно – в ответ на «инструкции по сборке» – происходит самоорганизация этих «живых» молекул в слипающиеся структуры между инородными частицами. 

Работа опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Мы показываем, что можно запрограммировать частицы для создания строго определённых структур с индивидуальными свойствами, – объясняет Ясна Бружич, профессор факультета физики Нью-Йоркского университета, и одна из авторов исследования. – В то время как краны, дрели и молотки должны управляться людьми при строительстве зданий, эта работа показывает, как можно использовать физику для создания умных материалов, которые «знают» как собирать себя».

На самом деле такая способность материалов к самосборке или самовосстановлению (а ещё лучше – к самовоспроизводству), – мечта едва ли не каждого изобретателя, будь он адептом какой-либо науки или научной фантастики как жанра. Учёные давно искали способ реализации подобного поведения молекул и добились-таки некоторых прорывов во многих смежных областях. Однако, несмотря на общую положительность этих тенденций, существующие методы, позволяющие частицам самоорганизоваться с заранее запрограммированным числом связей, развиты всё ещё недостаточно.

Чтобы решить эту проблему, Брухик и её коллеги, Ангус Макмаллен, доктор наук, научный сотрудник факультета физики Нью-Йоркского университета, и Саша Хильгенфельдт, профессор механики и инженерии в Университете Иллинойса, Урбана-Шампейн, провели серию экспериментов по установлению контроля над поведением молекул ДНК на поверхности частиц и даже управлению им.

В представленном учёными опыте показано, что синяя частица первоначально связывается с тремя красными частицами, удовлетворяя своей валентности при комнатной температуре. Далее, при нагревании вещества, эти связи разрываются, провоцируя тепловое расширение материала; а с последовавшим затем охлаждением синяя частица снова находит трёх красных партнёров. Но на этот раз – уже с существенным отличием в своём поведении: теперь она словно «выбирает» сколько связей ей нужно. 

Этот результат подразумевает, что связи ДНК между частицами обратимы и перестраиваются на поверхности частицы, чтобы оптимизировать валентность.

Работая с размерами, исчисляемыми в микронах, исследователям приходилось буквально крошечными каплями добавлять частицы, величиною в 25 раз меньше пыльцы, в жидкий раствор. Эти капли были снабжены специальными соединителями ДНК – так называемыми молекулярными инструментами, обладающими «липкими концами». Это их свойство позволяет смешивать и сопоставлять элементы для образования массива желаемых структур.

«Прелесть этой процедуры в том, что мы можем запрограммировать свойства определенного материала, чтобы он мог быть эластичным или хрупким, или даже обладать способностью к самовосстановлению после разрыва, поскольку связи могут быть образованы и разорваны обратимо, – отмечает Брухик. – Создатели могут решить добавить пять частиц, которые прилипают только к одной другой, 10 - к двум, и 20 - к трём или любой другой комбинации. Это позволит вам создавать материалы с определенной топологией или архитектурой».

АРМК, по материалам Нью-Йоркского университета.