Матеріалознавці зробили папір з пилку соняшника, який за рахунок своєї структури може скручуватися залежно від вологості навколишнього середовища. За допомогою цього ефекту вони зробили штучну квітку магнолії, яка вміє розкриватися, а також самохідного біоробота. Стаття опублікована в журналі.
Багато організмів підлаштовуються під навколишні умови для виконання своїх біологічних функцій. Наприклад, кут розкриття соснової шишки залежить від відносної вологості: в занадто вологих умовах шишка буде залишатися закритою. Цей механізм працює через те, що білкові матеріали, як шовк або колаген, змінюють свою молекулярну конформацію залежно від вологості. На основі цього вчені створюють штучні м'які приводи, які можуть змінювати свої характеристики залежно від зовнішніх умов. Вчені бачать їх застосування в м'яких роботах, штучних м'язах, сенсорах і електричних генераторах.
Розумні приводи на основі графену або синтетичних полімерів дороги, складно контрольовані і погано утилізовані, а тому потрібні більш дешеві матеріали з природних і відновлюваних ресурсів. І, хоча такі природні матеріали, як агароза і целюлоза, вже використовуються, їх виділяють з сировини і обробляють зі значними енергетичними витратами. Більш того, деякі приводи, сконструйовані з природних полімерів, показують слабку відповідну реакцію на зміну зовнішніх умов, і зазвичай вони не годяться для циклічних процесів зміни механічних характеристик.
Цзе Джао (Ze Zhao) зі своїми колегами з Наньянського технологічного університету створив рухомий папір з пилку соняшнику, який здатний до циклічних і звернених змін при зміні вологості. Вони представили метод перетворення м'яких мікрогелей з пилку в гнучкі і прозорі плоскі листи, в яких рухова сила варіюється товщиною листа або умовами виробництва.
Частинки пилку - природні мікроконтейнери, які переносять генетичний матеріал рослини. Вчені давно їх вивчають завдяки практично незруйнованій структурі - пилок повинен зберігати свій вміст при важких несприятливих умовах. Пилок складається з двох шарів: жорсткий спорополенин зовні і м'яка целюлоза всередині. Подвійний зв'язок ефірних і ацетальних груп сприяє великій механічній жорсткості і хімічній інертності спорополленіна.
Матеріалознавці змогли отримати з жорстких частинок м'які мікрогелі за допомогою двостадійного процесу миловаріння: знежирений пилок соняшнику нагрівався разом з лужею протягом двох годин, промивався кілька разів свіжою лужею, потім знову нагрівався і промивався деіонізованою водою, а після цього розганявся на центрифузі. Таким чином виходив густий мікрогель, з якого можна отримати папір простим випарюванням води. З частинки пилку діаметром в 30 мікрометрів подібними перетвореннями при другому виклацанні за 6 годин виходить плоска частинка з діаметром в 43 мікрометра. При більш тривалій другій стадії виклацання частинка втрачає більше механічної жорсткості, що допомагає їй набухати при гідратації і ставати більш плоским при дегідратації. Папір з пилку проявляє високу гнучкість і має дві зовсім різні поверхні: матовий верх, що витримується на повітрі, і глянцевий низ, що вийшов через контакт з ливарною формою під час випаровування води.
Вода асиметрично вбудовується в простір між шарами пилкових частинок, які виступають в якості бар'єрів, і послаблює водневі зв'язки між ними. За рахунок цього вона збільшує розмір нижньої поверхні паперу. Верхня поверхня паперу ж не змінює свій розмір, а тому збільшення нижньої поверхні веде до скручування аркуша. Якщо прямий аркуш паперу з пилку покласти на поверхню води, то він спочатку швидко скрутиться, а потім буде повільно випрямлятися через дифузію води у верхній шар. А якщо покласти такий папір на долоню, то за рахунок поту він згорнеться, і щоб повернути папір у початковий вигляд, потрібно позбавити його доступу до води - наприклад, покласти його на долоню в рукавичці. Матеріалознавці поклали аркуш паперу з пилку на нейлонову сітку над водяною лазнею і спостерігали за скручуванням і розкручуванням: чим більше час витримки в лужі, тим швидше аркуш буде скручуватися.
Як приклади застосування вчені зробили пелюстки з цього паперу у формі квітки магнолії - при зануренні у воду такий бутон розкривався, як справжня квітка. Для підтвердження своєї гіпотези, що специфічний рух можна отримати за рахунок різної витримки в лужі окремих частин листа, вони зробили смужку паперу, яка рухалася в одному напрямку тільки лише на процесах сорбції-десорбції води.
Все частіше вчені надихаються процесами живої природи. Три роки тому німецькі ботаніки вивчили процес розкриття соснової шишки і запропонували використовувати такі матеріали для автоматичних дахів, які будуть самостійно закриватися під час дощу.