Американські хіміки розробили гідрогелевий молекулярний м'яз, який стискається під дією світла за рахунок окислювально-відновлювальних реакцій. Такий м'яз здатний при опроміненні видимим світлом пересувати об'єкти, що перевершують його по масі, пишуть дослідники в.
Молекулярні мотори, м'язи, насоси та інші різноманітні типи молекулярних машин призначені для здійснення корисної роботи за рахунок зворотної зміни власної конфігурації. Зовнішній стимул, який призводить до такої зміни, може бути різної природи: зміна кислотності середовища, вологості, або опромінення світлом. В останньому випадку зазвичай використовуються механізми фотоактивації, яка призводить до ізомеризації азобензолу або похідних спіропірану. Такі реакції, як правило, засновані на перемиканні між цис- і транс-ізомерами або поглинанні світла неорганічними наночастинками.
Хіміки з Вашингтонського університету в Сент-Луїсі під керівництвом Джонатана Барнса (Jonathan C. Barnes) запропонували використовувати для роботи фотоактивованих молекулярних м'язів окислювально-відновлювальні реакції. Для цього дослідники вибрали фотокаталізатор на основі рутенію, який активується при опроміненні видимим світлом. Як основний компонент запропонованих м'язів вчені використовували гідрогель, який в основному складався з поліетиленгліколю (від 80 до 100 мольних відсотків) з невеликими включеннями полівіологена (від 0 до 20 мольних відсотків) - матеріалу, який активується якраз за допомогою реакції з перенесенням електрона.
Згідно із запропонованим авторами механізмом, рутенієвий фотокаталізатор поглинає синє світло з довжиною хвилі близько 450 нанометрів, що призводить до перенесення електрона на полівіологен і його відновлення. Процес відновлення, в свою чергу, зменшує силу електростатичного відштовхування, виходу зі структури протиіонів, складання полімерних ланцюжків і скорочення молекулярного м'яза.
Таким чином, просто посвітивши на гідрогель синім світлом, можна запустити в ньому окислювально-відновлювальну реакцію і стиснути його в 10 разів. Крім того, вчені показали, що при приміщенні стисненого м'яза в насичену киснем воду він може назад розширитися, і, наприклад гідрогель з 5 відсотками полівіологену спокійно витримує не менше трьох циклів скорочення/розтягнення.
Якщо ж з такого гідрогелю зробити молекулярний м'яз витягнутої форми і опромінювати його тільки з одного боку, то можна змусити його викривлятися. А якщо до кінчика м'яза ще й прикріпити який-небудь об'єкт, то таким чином можна піднімати його або переміщати в просторі. Наприклад, спочатку прямий молекулярний м'яз масою 19 міліграм, що містить п'ять відсотків полівіологена, вченим вдалося таким чином зігнути під кутом в 90 градусів за 5 годин і пересунути за допомогою неї невеликий шматочок губки масою 20 міліграм (більше власної маси м'яза) майже на 2,5 сантиметра.
Незважаючи на те, що процес скорочення м'язів виявився досить тривалим, автори роботи порівнюють його з розпусканням квітки під дією сонячного світла, і кажуть, що цей повністю аналогічний процес, який проходить приблизно з такою ж швидкістю.
За словами авторів дослідження, представлений ними концепт молекулярного м'яза, який скорочується при відновленні і стискається при окисленні, викликаними фотоактивацією, може бути використаний для розробки молекулярних машин. У майбутньому автори роботи планують створити аналогічні системи з управлінням за допомогою електродів, а також пристосувати подібні мищці для переміщення обсягів більшої маси.
Нещодавно схожий гідрогелевий матеріал, здатний стискатися і розширюватися при зміні вологості, вчені запропонували використовувати для створення елементів самозакривних дахів. Такі пристрої, що не потребують для своєї роботи джерел живлення, можна використовувати, наприклад, на дахах стадіонів, які будуть автоматично закриватися під час початку дощу.