PNAS: Огненные муравьи вдохновили на создание идеального адаптивного материала

Огненные муравьи создают плоты, чтобы пережить наводнение, но как работают эти связи? И чему мы можем научиться на их примере? Профессор Бингемтонского университета штата Нью-Йорк исследует эти вопросы, чтобы расширить наши знания в области материаловедения.

Когда на регион, где живут огненные муравьи, обрушивается наводнение, их реакция на выживание заключается в том, что они сцепляются друг с другом, образуя плавучий «плот», который плывет и удерживает колонию в единстве. Подумайте об этом как о конденсированном, адаптивном материале, где строительные блоки — отдельные муравьи — на самом деле живые.

Ассистент профессора Бингемтонского университета Роб Вагнер возглавил исследование в рамках лаборатории механики мягкой материи Вернери в Университете Колорадо Боулдер, в ходе которого они изучали адаптивную реакцию этих живых плотов. Их цель — понять, как они автономно изменяют свои механические свойства, а затем использовать самые простые и полезные открытия в искусственных материалах.

Живые системы всегда восхищали меня, потому что они достигают того, чего не могут наши современные инженерные материалы — даже близко, — говорит он.

Мы производим объемные полимерные системы, металлы и керамику, но они пассивны. Их составляющие не накапливают энергию и не преобразуют ее в механическую работу, как это делают все живые системы.

Вагнер считает, что накопление и преобразование энергии необходимо для имитации умного и адаптивного поведения живых систем.

В своей последней публикации в Proceedings of the National Academy of Sciences Вагнер и его соавторы из Университета Колорадо исследовали, как плоты огненного муравья реагируют на механическую нагрузку при растяжении, и сравнили реакцию этих плотов с динамическими, самовосстанавливающимися полимерами.

Многие полимеры удерживаются вместе динамическими связями, которые разрушаются, но могут восстанавливаться, — говорит Вагнер.

Если тянуть достаточно медленно, эти связи успевают перестроить материал так, что вместо того, чтобы разрушаться, он течет, как слизь, с которой играют наши дети, или мягкое мороженое. Но если тянуть очень быстро, он ломается, как мел. Поскольку плоты удерживают вместе муравьи, цепляющиеся друг за друга, их связи могут разрываться и восстанавливаться. Поэтому мы с коллегами решили, что они будут делать то же самое.

Но Вагнер и его коллеги обнаружили, что с какой бы скоростью они ни тянули муравьиные плоты, их механическая реакция была практически одинаковой, и они никогда не текли. Вагнер предположил, что муравьи рефлекторно сжимают и разжимают свои хватки, когда чувствуют силу, потому что хотят держаться вместе. Они либо уменьшают, либо выключают свое динамическое поведение.

Такое явление, когда связи становятся крепче, когда к ним прикладывается сила, называется поведением «ловчих связей», и оно, вероятно, усиливает сплоченность колонии, что имеет смысл для выживания.

Когда вы тянете за типичные связи с некоторой силой, они быстрее разрываются, и срок их службы уменьшается — вы ослабляете связь, потянув за нее. Это то, что вы видите почти в любой пассивной системе, — говорит Вагнер.

Но в живых системах, в силу их сложности, иногда возникают «ловчие» связи, которые сохраняются в течение длительного времени при определенном диапазоне приложенных сил. Некоторые белки делают это механически и автоматически, но это не значит, что белки принимают решение. Они просто устроены таким образом, что при приложении силы обнаруживают эти участки связывания, которые защелкиваются или „ловятся“.

Вагнер считает, что имитация таких связей в инженерных системах может привести к созданию искусственных материалов, которые будут демонстрировать автономное, локализованное самоукрепление в областях повышенного механического напряжения. Это может увеличить срок службы биомедицинских имплантатов, клеев, волокнистых композитов, мягких компонентов робототехники и многих других систем.

Коллективные скопления насекомых, такие как плоты огненных муравьев, уже вдохновляют исследователей на разработку материалов с чувствительными к стимулам механическими свойствами и поведением. В статье, опубликованной в журнале Nature Materials в начале этого года под руководством лаборатории Ware Responsive Biomaterials Lab в Texas A&M и при участии Вагнера и его бывшего научного руководителя профессора Франка Дж. Вернери, показано, как ленты из специальных гелей или материалов, называемых жидкокристаллическими эластомерами, могут сворачиваться под воздействием нагрева, а затем спутываться друг с другом, образуя конденсированные, твердые структуры, на которые вдохновили муравьи.

Естественным продолжением этой работы является ответ на вопрос, как мы можем заставить взаимодействие между этими лентами или другими мягкими строительными блоками «зацепиться» под нагрузкой, как это делают огненные муравьи и некоторые биомолекулярные взаимодействия, — заключает Вагнер.

15.05.2024