Мікрокристали навчили повзати і крутитися при зміні кристалічної структури

Японські хіміки отримали монокристалічні мікрочастинки, рухом яких можна керувати за допомогою зміни температури, через яку відбувається фазовий перехід між двома кристалічними станами. Органічний кристал продовженої форми на основі азобензолу може таким чином рухатися, швидко обертаючись навколо своєї осі або повільно переповзаючи з місця на місце, подібно до черв'яка, пишуть вчені в статті в.

Для того, щоб керувати переміщенням мікророботів, що складаються з одного або декількох кристалів, зазвичай використовують магнітне або електричне поле. За допомогою такого підходу зазвичай вдається або переміщати всю мікрочастинку цілком, або змінювати взаємне розташування її окремих елементів, так що мікроробот при цьому складається і розкривається, захоплюючи і переміщуючи невеликі об'єкти. Альтернативним підходом може бути використання окремих кристалів, рух яких відбувається за рахунок зміни їх форми: вигину, стиснення і розширення. Такий рух зазвичай збуджують за допомогою фотомеханічної активації або за рахунок зміни температури навколишнього середовища.

Останнім із цих способів вирішили скористатися японські хіміки під керівництвом Хідеко Косіми (Hideko Koshima) з Університету Васеда. Вчені запропонували керувати рухом кристалів, використовуючи зворотні фазові переходи, при яких відбувається повна зміна кристалічної структури монокристала. Такий фазовий перехід можливий, наприклад, для хіральних органічних монокристалів. Оскільки за рахунок зміни структури кристала при фазовому переході змінюється і його геометрія, то його можна використовувати і для переміщення.

Кристал, для якого характерний подібний фазовий перехід, вчені отримували з хіральних органічних молекул на основі азобензолу. Щоб викривлення форми кристала можна було використовувати для переміщення, автори роботи запропонували синтезувати кристали у формі плоских голок довжиною від 8 до 9 мікрометрів, шириною від 50 до 200 мікрометрів, і товщиною від 50 до 70 мікрометрів. При цьому важливою особливістю кристалів було те, що або ширина, або товщина кристала від одного краю до іншого зменшувалася приблизно в два рази.

Для такого з'єднання характерний фазовий перехід, викликаний зміною структури водневих зв'язків, при температурі близько 144 градусів Цельсія. Для обох кристалічних модифікацій між якими відбувається перехід, характерна одна і та ж група симетрії, але трохи різні параметри решітки. При цьому при зміні структури за двома вимірами кристал зменшується, а по третьому - навпаки, збільшується. За рахунок такого переходу і правильно обраної геометрії монокристалічну частинку з цієї сполуки можна згинати і розгинати, зменшуючи або збільшуючи температуру відносно 144 градусів.

Для обраної геометрії максимальний кут вигину спочатку рівного кристала склав близько 15 градусів. Завдяки цьому в кристалі можна викликати два типи рухів: повільне пересування за рахунок стиснення і розтягнення при якому кристал повільно переповзає, подібно до черв'яка, або швидкий рух за рахунок обертання навколо своєї головної осі.

Щоб викликати переповзання кристала, вчені використовували кристал зі змінюваною товщиною і періодично змінювали температуру від 139 до 154 градусів зі швидкістю близько 1 градуса в секунду. При підвищенні температури після подолання критичного значення кристал починає повільно згинатися, при цьому широкий край кристала переміщується більше, ніж вузький. При зниженні температури кристал розпрямляється, і приймає початкову форму. За рахунок послідовних згинань і розгинань такий кристал може переповзати вздовж свій головної осі зі швидкістю від 1 до 3 міліметрів на годину.

Що більш дивно, при швидкому охолодженні або нагріванні (не циклічному, як у попередньому випадку, а одноразовому) кристал такого ж складу, але в якому вздовж його довжини змінюється не товщина, а ширина, може здійснювати значно швидші обертальні рухи навколо своєї осі. При нагріванні обертання починається ще до критичної температури, а механізм такого руху заснований на тому, що послідовне викривлення і розпрямлення кристала призводить до його перевороту кристала, яке потім призводить до обертання кристала з великою швидкістю. Автори відзначають, що швидкість поступального руху при обертанні на кілька порядків вище швидкості при переповзанні і становить до 5 міліметрів на секунду.

За словами авторів роботи, запропоновані ними способи керованого руху кристалів двома способами з різною швидкістю в майбутньому можуть бути використані при розробці кристалічних мікророботів, в першу чергу для медичних застосувань.

Розробці кристалічних мікророботів для виконання найпростіших медичних завдань. Так, за допомогою мікроробота, що складається з шести полімерних кубиків, покритих металом, можна переміщати за допомогою магнітного поля невеликі об'єкти, наприклад одиночні клітини. А більш складні мікророботи можуть відкриватися і закриватися при зміні температури навколишнього середовища.