Найден новый способ управления микрокапсулами на расстоянии, который позволяет вскрывать оболочку в заданное время. Для решения задачи использовались углеродные нанотрубки.

Новые приборы и композиты, созданные на основе углеродных нанотрубок (УНТ), наглядно демонстрируют важность фундаментальных исследований – практическое применение этих уникальных материалов стало возможным только благодаря изучению структурных, электронных и других свойств.

Конечно, на это требуется время. Вот уже почти 20 лет и теоретики, и экспериментаторы активно исследуют оптические явления в УНТ и, в частности, их связь с плотностью электронных состояний в квазиодномерных материалах, но на практике полученные результаты пока используются мало. Правда, в лабораторных масштабах достигнут значительный прогресс. Вот один из примеров. Используя оптический нагрев углеродных нанотрубок, исследователи из Univ. of California, Berkeley (США) создали заполненные жидкостью микрокапсулы нового поколения – “с дистанционным управлением”.

Микрокапсулы с жидкостью внутри известны в фармацевтике (защита лекарственных препаратов и пролонгирование их действия) и в химической промышленности (самозалечивание полимеров). Как правило, оболочка таких микрокапсул или растворяется в определенной среде, или разрушается при механическом воздействии, что ограничивает возможность их применения.

Новизна результатов калифорнийских ученых не в микрокапсулах как таковых, а в том, что они нашли способ управлять этими микрокапсулами на расстоянии, вскрывая оболочку в нужное время с помощью недорогого доступного лазера ближнего ИК-диапазона. Для этого и пригодились нанотрубки, которые поглощают свет в широком диапазоне длин волн, в том числе в видимом и ближнем ИК- диапазоне. Кроме того, углеродные нанотрубки эффективно превращают свет в тепло. По мнению авторов работы оптический нагрев нанотрубок приводит к нагреву окружающей их жидкости, быстрому распуханию микрокапсулы и разрыву ее оболочки.

Для создания микрокапсул ученые использовали химический метод, основанный на реакциях полимеризации и поликонденсации на границе раздела фаз вода – масло. Были получены наполненные жидкостью микрокапсулы диаметром 100–1000 мкм (в зависимости от скорости перемешивания), с непроницаемыми полиамидными стенками толщиной 1 мкм (рис. 1). Суспензия многостенных нанотрубок, полученная с помощью ультразвуковой обработки, была добавлена в капсулируемую жидкость.

Как видно из рис. 1b, большая часть нанотрубок оказалась внутри микрокапсул. Некоторое количество было обнаружено внутри стенок и на стенках (рис. 1d).

Рис. 1. Заполненные толуолом полиамидные микрокапсулы, содержащие 1 масс.% УНТ. (а) и (b) – Оптические изображения; © и (d) – SEM-изображения. d) – разрушенная микрокапсула – видны углеродные нанотрубки (белые связки).

Проверка, проведенная через 2 месяца, показала, что за это время из микрокапсул, находившихся на воздухе, практически ничего не выделилось. Содержимое также сохранялось, когда микрокапсулы помещали в растворители (не вызывающие набухание полиамидной оболочки). А вот облучение на воздухе с использованием полупроводникового лазера ближнего ИК-диапазона (400 мВт, 785 нм) привело к разрыву микрокапсул с толуолом/УНТ через 0.02 сек. Разрыву предшествовало распухание с увеличением объема примерно в 2.5 раза (рис. 2). Воздействие лазера на микрокапсулы без УНТ не вызывало никаких изменений.

Рис. 2. Оптические изображения микрокапсулы с толуолом/УНТ до облучения (а), во время облучения (b)и после разрыва (с)

Проверка, проведенная через 2 месяца, показала, что за это время из микрокапсул, находившихся на воздухе, практически ничего не выделилось. Содержимое также сохранялось, когда микрокапсулы помещали в растворители (не вызывающие набухание полиамидной оболочки).

А вот облучение на воздухе с использованием полупроводникового лазера ближнего ИК-диапазона (400 мВт, 785 нм) привело к разрыву микрокапсул с толуолом/УНТ через 0.02 сек. Разрыву предшествовало распухание с увеличением объема примерно в 2.5 раза (рис. 2). Воздействие лазера на микрокапсулы без УНТ не вызывало никаких изменений.

Для наглядной демонстрации своей концепции “дистанционного управления” иследователи использовали так называемую click-реакцию. Микрокапсулы с фенилацетиленом/УНТ были погружены в раствор, содержащий бензил-азид. Также был добавлен Cu(I)-катализатор, в присутствии которого фенилацетилен и бензил-азид бурно реагируют, образуя триазол. По убыли азида можно судить о ходе реакции. Рис. 3 демонстрирует мирное сосуществование реагентов в течение 24 ч – до лазерного вскрытия микрокапсул. В течение последующего часа в ходе реакции потребляется весь бензил-азид. Далее на рис. 3 показано вскрытие лазером порции распределенных в пространстве микрокапсул.

Рис. 3. Лазерное вскрытие микрокапсул с фенилацетиленом/УНТ приводит к click-реакции Красные стрелки указывают моменты лазерного воздействия

Таким образом, реагирующие друг с другом вещества можно хранить в непосредственной близости друг от друга и выделять один из реагентов по мере необходимости, управляя реакцией.

Еще один интересный эксперимент – “полимеризация по заказу”. Ученые поместили в микрокапсулу раствор катализатора полимеризации в толуоле и добавили УНТ. Эти микрокапсулы были диспергированы в дециклопентадиене. В течение нескольких недель никаких изменений не происходило (вязкость заметно не менялась). Но разрыв микрокапсул под действием лазерного излучения инициировал полимеризацию – в течение нескольких минут желирование, а примерно через полчаса – затвердевание (рис. 4). Важно, что катализатор при хранении в микрокапсулах не потерял свою активность.

Рис. 4. Полимеризация ДЦПД после лазерного вскрытия микрокапсул с катализатором

Таким образом, реагирующие друг с другом вещества можно хранить в непосредственной близости друг от друга и выделять один из реагентов по мере необходимости, управляя реакцией.

Еще один интересный эксперимент – “полимеризация по заказу”. Ученые поместили в микрокапсулу раствор катализатора полимеризации в толуоле и добавили УНТ. Эти микрокапсулы были диспергированы в дециклопентадиене. В течение нескольких недель никаких изменений не происходило (вязкость заметно не менялась). Но разрыв микрокапсул под действием лазерного излучения инициировал полимеризацию – в течение нескольких минут желирование, а примерно через полчаса – затвердевание (рис. 4). Важно, что катализатор при хранении в микрокапсулах не потерял свою активность.

Таким образом, ученые нашли способ обеспечить сосуществование несовместимых химических веществ “в одном сосуде” и проводить реакции “по заказу”. Используется недорогой доступный лазер с низким энергопотреблением. Такой подход позволяет вскрывать как отдельные микрокапсулы, так и все их количество сразу. Пока получены первые результаты, но они уже позволяют надеяться на расширение применения микрокапсул с углеродными нанотрубками, в том числе в электронике и медицине (для лечения опухолей). Дальнейшее изучение оптических свойств УНТ позволит обеспечить новый уровень контроля. Для выделения химических веществ в нужное время, помещенных в разные микрокапсулы в одной оболочке, можно будет использовать лазеры, работающие в различных диапазонах длин волн, и нанотрубки определенного типа (в том числе модифицированные) с соответствующими спектрами поглощения.