Немного напоминает Terminator T-1000, новый материал, созданный исследователями Корнелла, настолько мягкий, что он может течь как жидкость, а затем, как ни странно, вернуться к своей первоначальной форме.
Вместо жидкого металла это гидрогель, сетка органических молекул со множеством небольших пустых пространств, которые могут поглощать воду, как губка. Он квалифицируется как «метаматериал» со свойствами, не встречающимися в природе, и может быть первым органическим метаматериалом с механическими мета-свойствами.
Гидрогели уже были рассмотрены для использования в доставке лекарств – пробелы могут быть заполнены лекарствами, которые медленно высвобождаются в виде гемодиестров – и в качестве основы для перестройки тканей. Способность образовывать гель в желаемой форме еще больше расширяет возможности. Например, может быть сформирован гель, наполненный лекарственными средствами, чтобы точно соответствовать пространству внутри раны.
Дэн Ло, профессор биологической и экологической инженерии, и его коллеги описывают их создание в выпуске 2 декабря журнала Nature Nanotechnology.
Новый гидрогель изготовлен из синтетической ДНК. В дополнение к тому, чтобы быть изготовленными гены, ДНК может служить в качестве строительного блока для самомонтирующихся материалов. Одиночные нити ДНК будут блокироваться на других отдельных стендах, которые имеют дополнительное кодирование, как крошечный органический Legos. Синтезируя ДНК с тщательно организованными комплементарными средами, исследовательская группа Luo ранее создавала короткие подставки, которые соединяются в формы, такие как кресты или Y, которые, в свою очередь, объединяются на концах, чтобы сформировать сетчатые структуры, чтобы сформировать первый успешный полностью-ДНК-гидрогель. Пытаясь использовать новый подход, они смешивают синтетическую ДНК с ферментами, которые заставляют ДНК самореплицироваться и распространяться на длинные цепи, чтобы сделать гидрогель без связей ДНК.
«Во время этого процесса они запутываются, а запутывание создает трехмерную сеть», – сказал Ло. Но результат не был тем, чего они ожидали: гидрогель, который они производили, протекал как жидкость, но когда он помещается в воду, возвращается к форме контейнера, в котором он был сформирован.
«Это было не по дизайну, – сказал Ло.
Экзамен под электронным микроскопом показывает, что материал состоит из массы крошечных сферических «гнезд птиц» из запутанной ДНК диаметром около 1 микрон (миллионный метр), еще более запутанной друг с другом длинными цепями ДНК. Он ведет себя как нечто похожее на массу резиновых лент, склеенных между собой: он имеет присущую ему форму, но может растягиваться и деформироваться.
Точно так же, как это работает, «все еще исследуются», говорят исследователи, но они теоретизируют, что упругие силы, удерживающие форму, настолько слабы, что их преодолевает комбинация поверхностного натяжения и силы тяжести; гель просто провисает в свободную каплю. Но когда он погружен в воду, поверхностное натяжение почти нулевое – внутри и снаружи вода, а плавучесть отменяет гравитацию.
Чтобы продемонстрировать эффект, исследователи создали гидрогели в формах, образованных буквами D, N и A. Вылитые из форм, гели стали аморфными жидкостями, но в воде они превращались обратно в буквы. В качестве возможного применения команда создала переключатель с водяным приводом. Они сделали короткий цилиндрический гель, наполненный металлическими частицами, помещенными в изолированную трубку между двумя электрическими контактами. В жидкой форме гель достигает обоих концов трубки и образует контур. Когда вода добавляется, гель возвращается к своей более короткой форме, которая не будет достигать обоих концов. (Эксперимент проводится с дистиллированной водой, которая не проводит электричество).
ДНК, используемая в этой работе, имеет случайную последовательность, и наблюдалось только случайное сшивание, сказал Ло. Конструируя ДНК, чтобы связать, в частности, он надеется, что сможет настроить свойства нового гидрогеля.
Исследование было частично поддержано Министерством сельского хозяйства США и Министерством обороны.