Живые организмы разработали сложные системы реагирования на внешнюю среду в ходе эволюции, а команде исследователей из Гарвардского университета удалось адаптировать эту идею и создать искусственный материал, который в состоянии самостоятельно регулировать себя в ответ на внешние факторы, такие как температура и рН.
Природные материалы, например, кожа, могут динамично поддерживать внутреннее состояние в различных средах сопротивляясь внешним факторам посредством скоординированных реакций. Несмотря на значительные успехи прогресса, синтетические материалы до сих пор не удалось наделить способностью гомеостаза. Даже «умные» материалы как, как стёкла очков, темнеющие на солнце, или пьезоэлектрический датчик, преобразующие колебания акустической гитары в цифровой аудиосигнал, не могут саморегулироваться, а реагируют на один определённый заложенный фактор.
Новый материал, названный SMARTS (от английского Self-regulated Mechano-chemical Adaptively Reconfigurable Tunable System — Саморегулируемая механохимическая адаптивно реконфигурируемая настраиваемая система), довольно прост и похож на зубную щётку с нанесенной пастой. Он состоит из нановолокон, которые одним концом помещены в гидрогель, а другим — в «питательное» вещество (реагент). Когда температура падает, гель набухает, приподнимает нановолокна и они вступают в контакт с «питательным» слоем; при повышении температуры происходит обратная реакция. Ключевым же аспектом является то, что на конце «щетинок» нанесён молекулярный катализатор вызывающий теплогенерирующие химические реакции в «питательном» слое. Таким образом, реакции цикличны и происходят автономно, без стороннего вмешательства.
— Задумайтесь о том, как человек покрывается «гусиной кожей», — объясняет ведущий исследователь проекта, профессор материаловедения Гарвардской школы инженерных и прикладных наук (SEAS) Джоанна Айзенберг. — Когда становиться холодно, крошечные мышцы в основании каждого волоса на руке поднимают волоски. После того как кожа разогревается, мышцы сокращаются, и волосы возвращаются в «лежачее» положение, предотвращая организм от перегрева. SMARTS работает в точности также.
Безусловно, что на ранней стадии исследования не время говорить о практическом применении открытия, но учёные отмечают предполагаемые сферы — медицинские импланты стабилизируещие состояние человека в зависимости, например, реагируя на уровень глюкозы или углекислого газа в крови, или строительство зданий, которые могли бы реагировать на погоду. Однако по их словам SMARTS может быть адаптирован для измерения достаточно широкого спектра воздействий, будь то уровень рН, температура, влажность, давление, без использования внешнего источника питания или сложного оборудования. Поэтому вряд ли можно ошибиться, отметив потенциальную востребованность технологии в различных областях робототехники, вычислительной техники и медицины.
По материалам Nature и Гарвардской школы инженерных и прикладных наук
