Химик Риенк Элкема и его группа пытаются имитировать природу, в частности химические реакции в живых клетках, которые обеспечивают топливо для управления клеткой. Набор реакций, которые приводят в действие неживые материалы таким же образом, ограничен, объясняет Элкема. "До сих пор существует всего около пяти типов реакций, которые широко используются исследователями. У этих реакций есть два основных недостатка: их скорость трудно контролировать, и они воздействуют только на определенный набор молекул." Элкема и кандидат наук Бенджамин Клемм, ведущий автор публикации, обнаружили новый тип реакции, скорость которой можно эффективно контролировать и которая также работает с широким спектром материалов.

Набухающий гель

"Суть реакционного цикла заключается в том, что он может переключаться между незаряженной и заряженной частицей, добавляя к ней химическое топливо", - объясняет Элкема. "Это позволяет нам заряжать материалы и таким образом изменять структуры этих материалов, потому что равные заряды отталкивают друг друга, а разные заряды притягивают друг друга. Тип и количество топлива определяют скорость реакции и, следовательно, продолжительность существования заряда и, следовательно, заданной структуры." Исследователи использовали свой цикл реакции, например, для зарядки гидрогеля, после чего заряды отталкивались друг от друга, и гель начинал набухать.

Мягкие роботы

Цикл химических реакций может быть полезен для создания мягких роботов: маленьких устройств, которые физически мягки, как наша кожа и ткани, и могут выполнять определенные функции. "Мягкие роботы уже существуют, например микрочастицы, управляемые извне с помощью магнитных или электрических полей. Но в конечном счете вы хотели бы, чтобы робот мог контролировать себя: сам видеть, где он находится и что происходит, а затем реагировать соответствующим образом", - говорит Элкема. "Вы можете заранее запрограммировать наш цикл на частицу, а затем оставить ее в покое, и она будет выполнять свою функцию независимо, как только получит соответствующий сигнал".

Следующий шаг Элкемы - связать процесс с окружающей средой, добавив к нему обработку сигналов: "Например, полимерная частица может содержать некоторые компоненты такого цикла. Когда он сталкивается с последней частью реакции, цикл завершается, что служит сигналом к распаду или набуханию, например."

Определение жизни

Клетки человека или других организмов нуждаются в энергии для различных функций: для движения, для ощущения того, что что-то происходит, или для деления. "Это также причина, по которой нам, людям, нужно есть", - объясняет Илкема. "Эта связь энергии с функцией происходит посредством химических реакций и является тем, что определяет живые существа. Это позволяет клеткам контролировать, когда и где формируются структуры или происходят процессы, локально и в течение ограниченного времени".

Напротив, неживые материалы могут существовать вечно и функционировать без источника энергии. Еще десять лет назад не существовало процессов, которые могли бы использовать химическое топливо для управления взаимодействиями в неживых материалах. Элкема: "Мы внедрили это здесь, в Делфте, наряду с несколькими другими местами, и с тех пор область взорвалась".