Įsivaizduokite medžiagą, kuri į elektros impulsą reaguoja tarsi gyvas raumuo. Skamba kaip mokslinės fantastikos siužetas, tačiau Lenkijos mokslininkai pademonstravo, kad tai visiškai įmanoma. Jų tyrimas susijęs su iš pirmo žvilgsnio įprastais anglies pluoštais, kuriuos dažniausiai siejame su itin tvirtais kompozitais – nuo raketų konstrukcijų iki modernių dviračių rėmų.
Šio neįprasto efekto raktas – naujas požiūris į gerai žinomą medžiagą. Užuot kūrę sudėtingas struktūras, Lenkijos mokslų akademijos tyrėjai pasirinko maksimalų paprastumą. Nors kol kas tai tik laboratorinis eksperimentas, jo pasekmės kuriant mikroskopinius įrenginius gali būti išties reikšmingos.
Elektra vietoj laidų: paprastas veikimo principas
Visa esmė slypi natūraliai nelygiame, šiurkščiame anglies pluošto paviršiuje. Mokslininkai naudojo paprastus, nepadengtus anglies pluoštus ir įmontavo juos į specialią konfigūraciją, vadinamą bipoliniu elementu. Sistemai pritaikius maždaug 2–3 voltų įtampą, jonai iš aplinkinės terpės pradėjo skverbtis į medžiagą.
Šis procesas nevyksta tolygiai. Dėl netolygaus mikroporų pasiskirstymo vienoje pluošto pusėje vyrauja oksidacija, o kitoje – redukcija. Būtent toks asimetriškas jonų įsiskverbimas sukuria vidinius įtempimus, dėl kurių pluoštas ima linkti.
Didžiausias užfiksuotas pluošto nuokrypis siekė apie 0,55 milimetro esant 3 voltų įtampai. Atjungus įtampą, jonai palieka medžiagą, o pluoštas vėl ištiesėja ir grįžta į pradinę formą. Procesas yra visiškai grįžtamas ir gali būti kartojamas daugybę kartų – tai būtina sąlyga praktiniam pritaikymui.
Belaitės mikropincetės: praktinis demonstravimas
Vienas įdomiausių atradimo aspektų – pluošto nereikia fiziškai sujungti laidais su srovės šaltiniu. Kaip aiškina tyrėjų grupės narys Wojciechas Nogala, „uždaras bipolinis elementas leidžia vienu metu vykti reakcijoms abiejuose pluošto galuose, todėl galima belaidė aktyvacija“.
Tyrėjai tuo neapsiribojo ir sukūrė veikiantį prototipą. Panaudoję du lygiagrečiai, priešingomis kryptimis orientuotus pluoštus, jie suformavo mikroskopines pincetes. Tiksliai valdydami įtampos impulso trukmę ir stiprį, mokslininkai galėjo daug kartų atverti ir užverti šiuos miniatiūrinius griebtuvus.
Tai įrodo, kad paprasti, pramoniniu būdu gaminami anglies pluoštai gali veikti kaip mikroskopiniai pavaros elementai (aktuatoriai) be sudėtingo papildomo apdorojimo. Toks sprendimas atveria kelią paprastesnei ir pigesnei tokių sistemų gamybai.
Nuo idėjos iki taikymo: potencialas ir iššūkiai
Tyrimas, paskelbtas mokslo žurnale „Nature Communications“, kol kas yra koncepcijos patvirtinimas. Vis dėlto jo reikšmė gali būti labai plati. Tokie „išmanieji“ pluoštai galėtų būti naudojami kaip sintetiniai mikrorobotų „raumenys“, mikroelektromechaninių sistemų dalys arba itin tikslūs įrankiai manipuliacijoms mikromasteliu.
Medicinoje galima įsivaizduoti miniatiūrinius chirurginius instrumentus, veikiančius kraujagyslių viduje, o inžinerijoje – jautrius manipuliatorius, skirtus montuoti mikroskopinius elektronikos komponentus. Pritaikymo galimybės iš esmės ribojamos tik inžinierių vaizduotės.
Vis dėlto verta išlikti realistams. Kelias nuo laboratorinio eksperimento iki patikimo, serijiniu būdu gaminamo produkto dažniausiai būna ilgas ir kupinas techninių iššūkių. Nepaisant to, lenkų komanda parodė svarbų dalyką: kartais proveržis slypi ne sudėtingume, o gebėjime maksimaliai išnaudoti paprastą sprendimą. Protingai pasitelkus natūralias turimų medžiagų savybes, ateityje gali atsirasti nauja mikroskopinių prietaisų karta, galinti veikti ląstelių ir audinių pasaulyje.
