Представьте, что материал может менять свою форму по химической команде. Команда физиков из Венского и Эдинбургского университетов показала, как это возможно. Они изучали кольцевые полимеры — молекулярные цепочки, замкнутые в круг. Оказалось, что даже небольшое изменение кислотности (pH) среды, а значит, и электрического заряда на молекуле, заставляет эти кольца перестраиваться. Секрет в балансе двух типов деформации: скручивания и извивания.

Проведем аналогию. Возьмите ленту, скрутите ее на пол-оборота и склейте концы. Получится лента Мёбиуса — петля с одним переворотом. Если добавить больше скручиваний перед склейкой, лента начнет извиваться в пространстве, образуя суперспираль. Именно такие формы часто встречаются в природе, например, в кольцевой ДНК.

Ученые смоделировали, как ведут себя такие заряженные кольцевые полимеры. В их модели каждое звено цепи могло приобретать или терять заряд в зависимости от кислотности раствора. Это позволило постепенно менять заряд и наблюдать за трансформацией.

Подробности опубликованы в издании Physical Review Letters.

Что выяснилось:

• Нейтральные, незаряженные полимеры принимают компактную, сжатую форму с большим количеством завитков.
• По мере роста заряда усиливается электростатическое отталкивание между частями молекулы. Кольцо начинает распрямляться, а внутреннее напряжение перераспределяется: извивание уменьшается, зато увеличивается внутреннее скручивание.
• При высоком уровне предварительного скручивания происходит нечто удивительное: полимер может разделиться на две сосуществующие фазы — одни участки изобилуют скручиванием, другие — извиванием. Это напоминает микрофазное расслоение, но продиктованное топологией, то есть самой формой замкнутого кольца.

Регулируя локальный заряд, мы можем смещать баланс между скручиванием и извиванием, а это дает нам рычаг для управления формой всей молекулы, — объясняет первый автор статьи Роман Стано.

Поскольку каждое звено может менять заряд, полимер плавно меняет форму — поведение, характерное для реальных полиэлектролитов.

Соавтор работы Христос Ликос добавляет:

Замечательно то, что переход от сжатой к распрямленной форме происходит постепенно, управляется через pH и не требует изменения топологии молекулы — кольцо так и остается кольцом.

Это открывает путь к созданию умных материалов. Меняя форму, полимер меняет свои свойства: проницаемость, упругость, вязкость. В будущем такие системы, например, на основе синтетической ДНК с чувствительными к pH боковыми цепями, можно будет использовать в микрофлюидных устройствах, где локальное изменение кислотности будет запускать контролируемое изменение формы и поведения потока.

Реальная польза этого исследования лежит в плоскости точного управления свойствами материалов на фундаментальном, топологическом уровне. Вместо создания нового вещества для каждой задачи мы получаем «программируемую глину». Один и тот же материал (например, гель или мембрана на основе таких полимеров) мог бы:

• Динамически регулировать свою проницаемость:  «умный» фильтр, который открывает или закрывает поры в ответ на специфическую кислотность среды, что критически важно для разделения веществ, контролируемой доставки лекарств или создания самовосстанавливающихся барьеров.
• Управлять реологией: представьте краску, вязкость которой меняется при нанесении, или смазку, которая становится более упругой в точке трения. Это прямой путь к энергосбережению и увеличению срока службы механизмов.
• Служить основой для молекулярных машин: управляемое переключение между скрученным и завитым состоянием — это готовый механизм для наноразмерных переключателей, приводимых в действие не электричеством или светом, а простым химическим сигналом, которого в живых системах в избытке.

Основное ограничение работы — это ее модельный характер. Исследование проведено методами компьютерного моделирования и аналитической теории, что, безусловно, выявляет фундаментальные физические принципы. Однако переход к реальным материалам может столкнуться с непредвиденными сложностями: влияние солевого состава раствора, кинетические ограничения на перестройку крупных молекул, возможная деградация pH-чувствительных групп при циклировании. Экспериментальная демонстрация на синтетических ДНК-кольцах, которую предсказывают авторы, является необходимым и еще не осуществленным шагом для подтверждения практической значимости концепции.

Ранее ученые растворили нерастворимые полимеры.