Нанотехнологам из США удалось создать материал, использующий один из «трюков» природы. Этот не похожий на другие полимерный «ковер», несмотря на свое искусственное происхождение, ведет себя как живой – может захватить небольшие макроскопические частицы ворсинками-щупальцами!

Интересный факт: структура ДНК, строение галактик и обычной веревки схожи использованием спиральных форм. Как оказалось, в природе геликоидальное строение зачастую предпочтительнее обычного. В живых созданиях этот факт можно объяснить с помощью молекулярной биологии: действительно, спиралеобразные формы проще производить и легче управлять ими. К тому же они имеют высокую степень компактности, что существенно сказывается на плотности упаковки генетического материала в клеточном ядре и хромосомах.

Нанотехнологии и раньше использовали биомиметику – например, известные лапки геккона, повторенные в полимерах и даже кремнии. Теперь же ученым известен еще один способ структурного подражания природе – использование полимерных геликоидов.

Вполне вероятно, что человечеству тоже необходимо поучиться природной смекалке и исследовать потенциал свернутых микро- и наноструктур. Этим и занялись ученые из Гарвардской Инженерной Школы и Прикладных Наук (Harvard School of Engineering and Applied Sciences – SEAS), получив достаточно интересные результаты.

Структура, синтезированная учеными практически универсальна – ее можно применить и в устройствах хранения данных, и в энергетике, и в химических наносенсорах, и даже в дальнейшем производстве наноструктур.

Профессор Гордон МкКей (Gordon McKay) и его коллеги научились производить нано-щетинки, формирующие закрученные спиральные пучки. Такие свитые нано-канаты выполняют очень серьезную якорную и транспортную функции – оказалось, они могут задерживать частицы больших размеров, обвиваясь вокруг них и, таким образом, захватывая объект.

Кроме обычного получения образца, исследователи смогли упорядочить нано-щупальца в кластеры, а из них уже легко собирать строительные блоки готового изделия – например, пленки, задерживающей частицы определенного типа.

Рис. 1. Нано-щупальца захватили шарик полистирена диаметром 2,5 мм

Но прежде чем нано-щупальца были созданы, исследователи увидели еще одно чудо. «Нам удалось продемонстрировать удивительный феномен: как отдельные ворсинки нанометровых размеров при погружении в испаряющуюся жидкость самоорганизовались в массивы щеток со спиралевидной структурой, – рассказывает доктор Айзенберг. – Представьте себе, что помыв голову, ваши прямые волосы вдруг слиплись и закрутились в дредды!».

Но такое возможно не в макроскопических, а в наноразмерных масштабах, да и то при испарении жидкости в несколько этапов. Как далее поясняет Айзенберг, получившиеся нано-щупальца превосходно показывают, как в наноразмерном диапазоне важно знать свойства материалов, их взаимодействия друг с другом в зависимости от геометрии поверхностей и хода процесса наноструктурирования. Если в совершенстве владеть техникой самосборки, и разбираться в свойствах материалов, то можно создать практически любую наноструктуру! Например, Айзенберг и МкКей геометрией нановорсинок определили направление их закручивания при испарении жидкости.

В этот раз при самосборке ученым помогли капиллярные силы – именно они закрутили прямые ворсинки в пучки. Далее – исследователи сформировали периодически повторяющиеся шаблоны из ранее «собравшихся» щеток-щупалец.

Впереди у ученых достаточно серьезная работа – исследование влияния геометрии отдельных ворсинок на формирование массивов «щупалец» при плотном пространственном разрешении их на подложке.

В результате исследователи получили матрицу жгутиков-филаментов, замечательно удерживающих любые мелкие макроскопические частицы миллиметровых размеров. МкКей видит первое применение поверхности, усеянной филаментами в химической сортировке и смешивании водорастворимых реагентов. Также можно использовать подложку как «рабочий стол» для сборки МЭМС.

Практические применения слоя микроскопических «щупалец» разнообразны. Так, фотоника получит еще один инструмент, позволяющий определить, как хиральность нановолокон влияет на поляризацию световых пучков, пропущенных через них.

Наноэнергетика будет использовать жгутики-филаменты в качестве аккумуляторов для запасания эластической энергии.

Упорядоченные матрицы филаментов можно даже использовать как устройства хранения данных, нужно только увеличить плотность расположения элементов. В тонкости хранения информации и ее записи ученые пока не вдавались. Здесь, по крайней мере с первого взгляда, есть ряд трудностей.

Без сомнения, достижение ученых хорошо показывает, что современные нанотехнологии на порядок лучше оперируют материей на субмикронном уровне, пусть и не без подсказок природы. И щупальца «горгоны Медузы», как окрестили их исследователи, еще раз это подтверждают.

О своих достижениях ученые сообщили в выпуске журнала Science от 9 января.

Свидиненко Юрий