Российские ученые научились создавать материалы с заданными механическими свойствами, способные менять эластичность и прочность при механическом воздействии. Кроме того, от нажатия или удара новые материалы меняют цвет, как кожа хамелеона.

Международная команда исследователей, которую возглавляет руководитель лаборатории инженерного материаловедения МГУ Дмитрий Иванов, объявила о создании синтетического аналога кожи хамелеона, реагирующей на механические воздействия изменением прочностных свойств и цвета. Статья опубликована в журнале Science.

На самом деле не совсем кожа и не совсем хамелеона. Называется этот материал средствами активного камуфляжа. Хамелеон, меняющий цвет кожи в зависимости от своего состояния, в этом смысле не одинок: средства активного камуфляжа встречаются также у некоторых головоногих и амфибий, мягкая, податливая кожа которых под внешним механическим воздействием быстро и сильно упрочняется, предотвращая повреждение. Учёные давно пытаются создать материалы, обладающие такими же свойствами, однако у разработанных к настоящему времени полимеров изменение механических характеристик при деформации на порядки слабее, чем у живых тканей.

Экспериментальная установка для одновременных измерений механических и структурных параметров.

В основе разработки учёных лежат сополимеры — полимеры, цепочки которых состоят из двух и более разновидностей структурных звеньев. По словам Дмитрия Иванова, созданный авторами статьи сополимер существенно отличается от обычных, линейных. Новая макромолекула больше напоминает гантель. В центре конструкции находится элемент с множеством ответвлений, похожий на ёршик для чистки бутылок, из-за чего этот элемент принято называть «щёткой». Материал, состоящий из таких щёток, изначально вполне эластичный, при деформации становится очень прочным.

Кроме того, новые полимеры обладают способностью к молекулярной самосборке: в нужных условиях такая система способна сама собраться из макромолекул, в сложную иерархическую структуру, обладающую совершенно другими свойствами, нежели исходные составные части. Учёные, работающие над проектом, впервые задали структуре полимеров все нужные для практического использования свойства, такие как, например, механическая кривая напряжения от деформации, таким образом, чтобы она ничем не отличалась от таковой для живых тканей.

Среди возможностей, которые предоставляет этот материал, Дмитрий Иванов выделяет его применение в медицине, при изготовлении биоимплантов. Здесь с его помощью можно избавиться от проблемы механического несоответствия. В каждом случае необходимо, чтобы биоимплант обладал механическими свойствами, максимально схожими с теми, которые есть у окружающей ткани, иначе пациент оказывается под угрозой травм. На рисунке приводятся примеры деформационных кривых кожи свиньи, наложенных на кривые синтезированных в данной работе полимеров. Можно увидеть, что созданные материалы очень точно воспроизводят механические свойства живой кожи.

Ещё одним важным элементом синтезированных молекулярных гантелей являются концевые части. При самосборке они собираются в наноразмерные «стеклянные шарики». Такие шарики создают эффект активного камуфляжа, поскольку они находятся на таких расстояниях друг от друга, чтобы создавать условия для дифракции видимого света. Механические деформации такой ворсистой гантели меняют условия дифракции света, взаимодействующего с этими шариками, что в конечном итоге меняет цвет материала от голубоватого до светло-зелёного. Таким образом, новые материалы могут точно воспроизвести не только деформационные кривые живых тканей, но и оптические цветовые эффекты, которые объясняются чисто физическим явлением — дифракцией света. И, самое главное, эти материалы впервые могут приблизиться к живым тканям по степени реакции на механические нагрузки.

«Наши материалы, — говорит Иванов, — можно программировать в широком диапазоне механических и цветовых характеристик, достаточно задать необходимые структурные параметры молекулярных «щёток». Этот подход аналогичен кодированию нашей наследственной информации в цепочках ДНК».