The Prime Russian Magazine

Полстолетия назад с легкой руки фантастов реальность XXI века была просто немыслима без человекоподобных или звероподобных роботов. Однако XXI век настал, а ничего подобного вокруг не наблюдается. Разве что на YouTube можно посмотреть ролики с ловкими искусственными котами, собаками и мулами от американской фирмы Boston Dynamics — но и их пока сложно перепутать с живыми существами: мешают провода, шум моторов и общая неестественность их движений. Для осуществления соответствующих прогнозов нам пока не хватает очень многого, например адекватной замены такому чуду природы, как мышца.

Мы немалого достигли в области конструирования материалов, которые сокращаются под действием прикладываемого электрического поля. А вот можно ли осуществить то же самое при помощи света? Дело в том, что электромагнитное излучение, в частности свет, — быстрый и удобный способ передачи энергии на расстояние. Оказывается — вполне, и для этого могут пригодиться фоточувствительные жидкокристаллические (ЖК) полимеры, а точнее их подкласс — ЖК-эластомеры, работа над которыми идет сейчас в США, Японии, Германии и России (в том числе и на химическом факультете МГУ).

Что это такое? Вначале необходимо пояснить, что такое жидкие кристаллы. ЖК-состояние — удивительная форма существования вещества, которая сочетает порядок, напоминающий кристаллический, со свойствами жидкости. Для формирования этого состояния молекулы вещества должны обладать анизометричной формой, то есть напоминать палочки. Ученым известны десятки типов ЖК-фаз: в самой простой и наиболее используемой нематической фазе анизометричные молекулы имеют только ориентационный порядок (то есть направлены в одну сторону), а их центры масс совершенно разупорядочены.

В ЖК-полимерах такие анизометричные молекулярные фрагменты привязаны к цепочечным молекулам полимеров. Химики прекрасно научились и вводить «палочки» непосредственно в полимерную цепь, как бусины особого типа, и привязывать их к основной цепи посредством особых молекулярных фрагментов — гибких спейсеров. Этим их фантазия не ограничилась: на данный момент синтезированы многие тысячи самых разных ЖК-полимеров, которые замечательны тем, что сочетают способность к формированию ЖК-фаз с возможностью образовывать пленки, волокна и прочные покрытия. Они уже сейчас находят применение в качестве конструкционных материалов, используются для создания оптических фильтров и других пассивных элементов в оптоэлектронике. Но сочетание в ЖК-полимерах жидкокристаллического порядка со способностью образовывать механически прочные пленки позволило также начать работы по созданию нового типа фотоактюаторов — материалов, которые превращают световую энергию в механическую. Принцип их действия заключается в том, что в молекулы ЖК-полимеров вводятся фоточувствительные палочкообразные фрагменты. Под действием света они изменяют свою форму, что, в свою очередь, приводит к разрушению ЖК-фазы. Это разрушение происходит только с той стороны пленки, которая находится ближе к источнику света, сопровождаясь ее усадкой, и, как следствие, сгибанием. Если выключить свет, то пленка разогнется обратно.

Сейчас задача исследователей — разобраться с механизмом этого процесса, научиться управлять характеристиками таких пленок и различным образом их оптимизировать. Недавно получены пленки, которые не только сгибаются или сжимаются под действием света, но и могут сворачиваться, например, в гармошку. Удобно, что для механического отклика не обязательно использовать очень мощные источники света вроде лазеров. Специалисты из американской фирмы BEAMCO продемонстрировали, что сфокусированного линзой солнечного света достаточно, чтобы вызывать колебания пленки полимерного фотоактюатора сколь угодно долго — пока не набегут тучи. Ясно, что такие материалы интересны с точки зрения практического использования, не зря ЖК-эластомерами очень заинтересовались в NASA и NATO: ими можно управлять дистанционно, не подводя электрические провода или механические приводы. Все это сулит нам в будущем создание невероятно совершенных на нынешний взгляд движущихся устройств для земных и космических целей.

comments powered by Disqus