Исследователи из Китая разработали полимерное устройство, которое может перемещаться по поверхности подобно гусенице.

Шагоход, перемещение которого инициируется изменением влажности, был создан в исследовательской группе Цзюньци Суна (Junqi Sun) из Университета Цилинь. Устройство состоит из двух полимерных пленок – слоя гидрофильного полимера, интенсивно абсорбирующего воду, прочно связанного с гибкой полимерной подложкой, инертной к воздействию влаги.

Рис. 1. Изменения относительной влажности
приводят к сжатию и расширению гидрофильного
полимерного слоя и, следовательно – к сгибанию
и разгибанию двухслойной системы. (Рисунок из Angew.
Chem. Int. Ed., 2011, DOI: 10.1002/anie.201101054).

При увеличении влажности гидрофильный слой поглощает воду и расширяется, в то время как размеры второго полимерного слоя не изменяются. Несоответствие размеров двух слоев приводит к тому, что двуслойная полимерная система сгибается при увеличении влажности и расправляется при ее уменьшении. Исследователи контролировали влажность воздуха вокруг полимерного устройства, обдувая его сухим и влажным азотом, что приводило к изменению относительной влажности от 11 до 40 процентов.

Прикрепление к каждому из концов двухслойной пластины «когтей» позволяет полимерной системе перемещаться в заданном направлении по поверхности, лишенной идеальной гладкости, перенося при перемещении нагрузку в 120 раз превышающую свой собственный вес!

Сун отмечает, что для превращения гидрофильного полимера в мощный двигатель необходимо, чтобы абсорбирующий воду материал обладал определенным набором свойств. Такой полимер должен сохранять жесткость в набухшем состоянии, отличаться высоким коэффициентом индуцированного влажностью расширения, а также быстро абсорбировать и десорбировать воду. Чтобы получить материал с такими свойствами Сун использовал многослойную пленку из полиэлектролита из чередующихся слоев катионных и анионных полиэлектролитов. Сун полагает, что такие многослойные системы из полиэлектролитов могут оказаться полезными для создания полимерных двигателей, так как в настоящее время техника послойной организации полимеров позволяет осуществлять точный контроль состава, строения и свойств многослойных пленок из полиэлектролитов.

Джеффри Спинкс (Geoffrey Spinks), специалист по полимерным сенсорам и двигателям из Университета Вуллонгонга (Австралия) отмечает, что хотя материалы, изменяющие форму и/или свойства в ответ на на внешнее воздействие, были известны ранее, результаты работы Суна поражают воображение, демонстрируя потенциальные возможности их применения.

Однако, Спинкс подчеркивает, что поскольку влажность непросто контролировать, практическое применение новой системы может ограничиться ее применением в сенсорах влажности, хотя, как предполагает исследователь из Австралии, возможно, «полимерная гусеница» сможет быть настроена и для распознавания паров и других химических веществ, не только воды.