Цивилизация
Разнообразные спирали, геликоиды и скрученные в катушки нити — явление широко распространённое как в дикой природе, так и в продукции созданных человеком технологий. Но в способности создавать спиральные структуры во всевозможных масштабах человечеству до природы ещё очень далеко.
Масштабы природных завитков простираются от двойной спирали ДНК с шагом всего в 3,5 нанометра и жгутиков одноклеточных животных микронных размеров до сантиметровых раковин улиток и полуметровых раковин аммонитов. Говоря о неживой природе, можно вспомнить о спиральных газовых структурах в окрестностях вращающихся звёзд размером в сотни миллионы километров и огромных спиральных галактиках, простирающихся на сотни тысяч световых лет.
Самые крупные спиральные структуры, созданные человеком, — это, наверное, геоглифы пустыни Наска и система радиотелескопов Километровой решётки (SKA), которая в соответствии с одним из проектов должна покрыть территорию Австралии спиральными витками длинной по нескольку тысяч километров.
А вот со стороны небольших структур мы пока проигрываем неразумному миру. Уже много веков назад нам далось прядение нити, а за последние десятилетия мы более или менее научились синтезировать молекулы, закрученные тем или иным образом, или, говоря химическим языком, обладающие определенной хиральностью.
Однако на промежуточных масштабах — скажем, в несколько микрон — если что до сих пор и получалось, то случайно. Случайные сплетения нитей микрощёток — явление скорее не желаемое, а раздражающее технологов по всему миру, потому что у них нет никакой возможности контролировать получающиеся структуры.
Точнее, не было до сих пор. Гарвардские учёные под руководством профессора Жанны Айзенберг
научились создавать сложные и, стоит признать, очень красивые сплетения микроскопических волосков с заданной геометрией.
Помогли в этом поверхностное натяжение быстро испаряющейся жидкости, упругость самих волосков и их заданная форма или ориентация. Описание новой технологии опубликовано в последнем номере Science.
Создавать огромные массивы одинаковых микроволокон учёные научились довольно давно, поэтому сделать «ковёр» из волосков толщиной 0,15 микрона и высотой 5 мкм, расположенных в вершинах квадратной решётки со стороной 1 мкм, не составило труда. Затем выпускница химического факультета МГУ Айзенберг и её коллеги залили этот ковёр жидкостью с заданным поверхностным натяжением и позволили её постепенно испаряться. В качестве жидкости выступали различные спирты и их растворы, а волоски были сделаны из эпоксидной смолы.
Когда уровень испаряющейся жидкости опускается до высоты волосков, между четвёрками волосков образуются характерные «мениски» наподобие тех, что образует спирт в капилляре градусника, только не круглой, а квадратной формы. Сила поверхностного натяжения притягивает волоски друг к другу — можно сказать, что за счёт мениска между волосками действует «сила поверхностного притяжения». Однако для идеальной решётки все эти силы уравновешиваются, и волоски остаются стоять прямыми.
Такое положение дел, тем не менее, неустойчиво: если какая-то пара волосков оказывается чуть теснее, «поверхностное притяжение» между ними становится больше, чем уравновешивающая её сила, и они склоняются ещё ближе друг ко другу. При этом неминуемо увеличивается расстояние волоска от соседней пары и падает сила притяжения крайнего волоска соседней пары к склонившемуся волоску первой пары. Теперь и вторая пара волосков может склониться друг к другу.
Подобным образом очень скоро весь ряд волосков оказывается разбитым на пары. А двумерная решётка, соответственно, на четвёрки склонившихся друг к другу волокон.
Айзенберг и её коллеги называют это образование структурой первого порядка. С падением уровня жидкости удерживать волоски друг рядом с другом начинает уже не поверхностное натяжение, а силы ван дер Ваальса, вступающие в игру при соприкосновении эпоксидных волокон. Кроме того, для улучшения сцепления волосков им придана сегментированная, «червеподобная» структура.
А дальше по индукции. Сами по себе образовавшиеся четвёрки также являются симметричными «волокнами», пусть и нетривиального сечения. А значит, к ним применимы все те же рассуждения, что и к отдельным волоскам. Если правильно подобрать упругость волосков, поверхностное натяжение жидкости и геометрические параметры, то вскоре начнут появляться структуры второго порядка, за ними — третьего, четвёртого и так далее, сколько пожелаете (и сколько позволят физические свойства жидкости и волокон).
Химики построили простую теоретическую модель образования кручёных нитей, а затем посмотрели, что в действительности происходит в лабораторных сосудах. Наблюдения полностью подтвердили модель. При этом в видеороликах, представленных учёными, отлично видно (запись показывается в реальном времени — синтез длится около 20 секунд), что образование структур разного порядка идёт именно в несколько отдельных этапов. Видеоролик 1 и видеоролик 2 (mov-файлы, 6,4 и 1,2 МБ соответственно), созданные с помощью оптического микроскопа, свободно доступны на сайте журнала Science.
Правда, такое закручивание оказывается случайно ориентированным: какие-то элементарные четвёрки повёрнуты по часовой стрелке, какие-то против неё, структуры более высокого порядка напоминают то лево-, то правозакрученные микроскопические свастики и «птичьи гнёзда».
Чтобы придать структурам заданную хиральность, оказалось достаточно сделать волоски чуть эллиптичными в сечении или разместить их чуть под углом к квадратной решётке.
Хотя сам по себе такой порядок не обладает определённой хиральностью, она возникает, как только в результате случайной флуктуации появляется первый «зародыш неустойчивости». Эта закрученность распространяется по всей решётке так же быстро, как образование исходных «четвёрок».
Учёные полагают, что созданный ими метод синтеза хиральных микроструктур может найти множество практических применений. В их хитросплетениях можно хранить механическую энергию упругости, а можно и информацию. У таких поверхностей наверняка окажутся необычные механические свойства.
Кроме того, созданные Айзенберг и её коллегами «птичьи гнёзда» можно использовать для захвата и удержания всевозможных микроскопических гранул, что учёные также наглядно продемонстрировали на снимках, полученных с помощью электронного микроскопа. И сделать эти захваты можно из таких материалов, что по нехитрому физическому или химическому сигналу — например, изменению уровня кислотности среды или включению магнитного поля — «гнездо» ослабит свой захват и выпустит гранулу на свободу. Чем не способ адресной доставки лекарств?