Команда развивает форму

6 июля 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Университетом Гонконга

В природе часто встречаются конструкции, сочетающие в себе как мягкий, так и твердый материал. Эти структуры ответственны за разнообразные механические свойства и функции биологических систем. Типичный пример: позвоночник человека имеет чередующиеся группы твердых костей и мягких межпозвоночных дисков, что является важной архитектурой, которая поддерживает человеческое тело, сохраняя при этом гибкость тела.

Имитирование структуры «мягкое-твердое» в природе, в принципе, может вдохновить на создание искусственных материалов и устройств, таких как приводы и роботы. Однако реализация этих структур оказалась чрезвычайно сложной, особенно на микроуровне, где интеграция материалов и манипулирование ими становятся чрезвычайно менее практичными.

С целью продвижения биомиметических микромасштабных материалов исследовательская группа под руководством доктора Юфэна Вана из химического факультета Гонконгского университета (HKU) разработала новый метод создания микромасштабных суперструктур, названных MicroSpine, которые обладают как мягкими, так и твердые материалы, которые имитируют структуру позвоночника и могут действовать как микроактюаторы со свойствами преобразования формы. Этот прорыв, опубликованный в журнале Science Advances, был достигнут посредством коллоидной сборки — простого процесса, в котором нано- и микрочастицы спонтанно организуются в упорядоченные пространственные структуры.

Многие биологические организмы, от млекопитающих до членистоногих и микроорганизмов, содержат структуры из синергически интегрированных мягких и твердых компонентов. Эти структуры существуют разной длины, от микрометров до сантиметров, и отвечают за характерные механические функции биологических систем. Они также стимулировали создание искусственных материалов и устройств, таких как приводы и роботы, которые меняют форму, двигаются или срабатывают в соответствии с внешними сигналами.

Хотя структуры «мягко-твердый» легко изготовить на макроуровне (миллиметр и выше), их гораздо сложнее реализовать на микроуровне (микрометр и ниже). Это связано с тем, что становится все сложнее интегрировать и манипулировать механически различными компонентами в меньшем масштабе. Традиционные методы производства, такие как литография, сталкиваются с рядом ограничений при попытке создания мелкосерийных компонентов с использованием стратегий «сверху вниз». Например, низкая производительность может возникнуть из-за того, что мелкосерийные производственные процессы более сложны и требуют большей точности, что может увеличить риск появления дефектов и ошибок в конечном продукте.

Чтобы решить эту проблему, доктор Ван и его команда применили другой подход, называемый коллоидной сборкой. Коллоиды представляют собой крошечные частицы размером в 1/100 размера человеческого волоса, которые могут быть изготовлены из различных материалов. При правильном проектировании частицы могут взаимодействовать друг с другом, спонтанно собираясь в упорядоченные сверхструктуры.

В качестве восходящего метода коллоидная сборка предпочтительна для создания микромасштабных структур, поскольку позволяет точно контролировать создание желаемых структур из различных строительных блоков, обладающих более высоким выходом. Тем не менее, трудность заключается в том, как направить частицы так, чтобы они собрались в желаемую мягкую-твердую структуру.

Используя позвоночник в качестве основы для дизайна, команда изобрела новые частицы, полученные из металлоорганических каркасов (MOF), нового материала, который может собираться с высокой направленностью и специфичностью. Будучи также твердым компонентом, эти частицы MOF могут объединяться с каплями мягкой жидкости, образуя линейные цепочки. Твердые и мягкие компоненты занимают в цепочке попеременные позиции, имитируя структуру позвоночника, то есть MicroSpine.