Chemical pulse animates lifelike colour-changing system — ABC Chemicals

Химическая смесь, пульсирующая фиолетовым и розовым в течение нескольких часов, может стать шагом к созданию реалистичных систем, способных реагировать на окружающую среду. Томас Херманс из Университета Страсбурга, Франция, и его команда используют молекулярное «топливо», чтобы превратить производное изменяющего цвет перилендиимида (PDI) в устойчиво уменьшающиеся колебания. «Когда вы найдете правильный баланс между системой, которая хочет собрать, и добавлением топлива, которое разбивает сборку, вы можете найти это окно, где происходят колебания», — объясняет Херманс.

Германс был вдохновлен белковыми структурами микротрубочек, которые быстро формируются и рассеиваются в наших клетках, чтобы придать им форму и помочь транспортировать другие материалы. Скорость сборки связана с тем, что белки сильно связываются, что также делает микротрубочки очень прочными. «Они прочнее стали, но микротрубочка в вашей клетке растет за 30 секунд по длине микрометра», — говорит Херманс. Новые колебательные реакции являются шагом к подобным возможностям, потому что они также быстро меняют состояние.

Страсбургская команда обнаружила, что производное PDI полимеризовалось в воде в 2016 году. «Существует фаза нуклеации, которая относительно медленная, а затем она удлиняется и растет очень быстро», объясняет Херманс. По словам Херманс, эта экспоненциальная нелинейная скорость роста — это «первый ингредиент, который вам нужен, чтобы найти осциллятор». «Моя интуиция дала о себе знать, что вам нужно экранировать пространство параметров, где могут возникнуть колебания».

Это пространство параметров возникает из атмосферного кислорода, окисляющего PDI в незаряженную форму. «В незаряженном состоянии молекула розовая, и она действительно хочет собраться самостоятельно», — объясняет Херманс. Он укладывается в нановолокна, которые, в свою очередь, превращаются в коллоиды микрометрового размера. В отличие от дитионата натрия, Na2S2О4, уменьшает PDI в фиолетовый дианион, который разбирает.

Модель силы

Химики приступили к оптимизации концентрации PDI, а также скорости, с которой дитионатное «топливо» поступает и приводит к разборке. «Нам понадобилось всего две недели, чтобы найти первые колебания», — говорит Херманс. Возникающие цветовые импульсы всегда наиболее очевидно видны с самого начала, но примерно через 10 часов они могут быть обнаружены только камерой. Херманс и его коллеги в настоящее время не уверены, почему, помимо математического объяснения, он считает неудовлетворительным.

Помимо исследования интенсивности затухающего импульса, исследователи стремятся производить длинные, устойчивые волокна из высокопрочных материалов, похожих на микротрубочки. Но интригующе то, что система, которая так быстро меняет состояние, — это шаг к жизненной системе, добавляет Херманс. Такой реактивный материал может, например, попытаться убрать себя из пламени, а не просто сжечь, как неодушевленный материал.

Chemical pulse animates lifelike colour-changing system - ABC Chemicals

Сергей Семонов из Научного института Вейцмана в Реховоте, Израиль, говорит, что эти результаты начинают объединять «супрамолекулярную самосборку с колебаниями и закономерностями, возникающими в результате нелинейной химической кинетики». Он добавляет, что сила микротрубочек заключается в их динамическом реагировании, и «команда Херманса» уже сделала «первые шаги в разработке синтетических полимерных структур», которые ведут себя аналогично. Тем не менее, Семонов добавляет, что по-прежнему требуется много работы, чтобы «получить уровень контроля, сравнимый с биологическими системами», включая прогнозную числовую модель для обеспечения эффективного проектирования.

Аннетт Тейлор из Университета Шеффилда соглашается, что «еще многое предстоит понять в отношении механизмов, действующих здесь». «Новизна работы заключается в том, что сами сборочные процессы являются движущей силой колебаний», — говорит она. Таким образом, исследование дает ценную информацию о самосборке, которая может быть важной во многих различных системах, считает Тейлор, в том числе биологических. «Использование внутреннего механизма, который контролирует длину волокна или размер макромолекулярной сборки, может быть привлекательным применением этой работы в дальнейшем», — добавляет она.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *