NatComm: Учёные приблизились к созданию биополимеров, реагирующих на воду

Новый подход для понимания и предсказания поведения материалов, реагирующих на воду, разработали ученые из Центра перспективных исследований при CUNY ASRC.

Эти материалы могут менять форму, поглощая или выделяя воду в ответ на изменения влажности. Они встречаются в природе и могут произвести революцию в различных отраслях: от робототехники и умного текстиля до биоэлектроники и систем выработки чистой энергии.

Хотя водореактивные материалы популярны в научных исследованиях, пока не до конца понятно, как они создают механическое напряжение при поглощении и выделении воды.

Профессор Си Чен из CUNY ASRC Nanoscience Initiative и факультета химического машиностроения Городского колледжа Нью-Йорка с коллегами разработал новый метод, который позволяет связать структуру замкнутой воды с макроскопическими свойствами таких материалов, как шелк.

Водореактивные материалы, которые реагируют на изменения влажности, перспективны для использования в робототехнике и для сбора энергии. Но нам не хватает теорий, объясняющих или предсказывающих возникающее в них напряжение, — говорит Чен.

Исследование показывает, что наноконфигурация воды определяет поведение регенерированных пленок фиброина шелка.

Важные параметры помогут лучше предсказывать характеристики материала и разрабатывать его для будущего использования в водореактивных актуаторах, — говорит Дарьян Подбевшек, научный сотрудник в лабораториях Чена и профессора Раймонда Ту из Городского колледжа Нью-Йорка при CUNY.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, предлагает новый подход к объяснению поведения водореактивных материалов. Оно сосредоточено на том, как молекулярная структура воды влияет на генерацию напряжения в этих материалах.

Предыдущие исследования лишь качественно объясняли гидратацию и дегидратацию, вызывающие стресс в материалах WR. Новый подход показывает количественно, что основным фактором, определяющим стресс, является структура воды, а не структурные свойства материала.

Все образцы начинали испытывать силу, когда соотношение связанной и подвижной воды достигало определенного значения. Это открытие подчеркивает важность различных популяций воды в биоматериалах и дает универсальные рекомендации по прогнозированию и проектированию поведения биополимеров.

Это открытие помогает понять, как работают материалы, реагирующие на воду. Оно также позволит применять их в тканевой инженерии, биосовместимых материалах, оптических покрытиях и других областях, — говорит Ту.

Исследование дает идеи, которые можно применить ко многим материалам, поглощающим воду. Это важно для биомедицинской инженерии, консервирования продуктов и косметики.

05.11.2024