Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Оригами

Бумажный бит создание механической памяти из оригами

28.08.2020 10:04:17 | Автор: admin


Бегущий по лезвию, Воздушная тюрьма, Heavy Rain что общего между этими представителями массовой культуры? Во всех в той или иной степени присутствует древнее японское искусство по складыванию бумаги оригами. В кино, играх и в реальной жизни оригами частенько используется в качестве символа определенных чувств, каких-то воспоминаний или своеобразного послания. Это скорее эмоциональная составляющая оригами, но с точки зрения науки в бумажных фигурках сокрыто множество интересных аспектов из самых разных направлений: геометрия, математика и даже механика. Сегодня мы с вами познакомимся с исследованием, в котором ученые из Американского института физики создали устройство хранения данных за счет складывания/раскладывания фигурок оригами. Как именно работает бумажная карта памяти, какие принципы в ней реализованы и сколько данных может хранить такое устройство? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Когда именно возникло оригами, сказать сложно. Но мы точно знаем, что не ранее 105 года н.э. Именно в этом году в Китае Цай Лунь изобрел бумагу. Конечно, до этого момента бумага уже существовала, но она изготавливалась не из древесины, а из бамбука или шелка. Первый вариант не отличался легкостью, а второй был крайне дорогой. Цай Луню поручили придумать новый рецепт бумаги, которая будет легкой, дешевой и простой в изготовлении. Задача не из простых, однако Цай Лунь обратился к самому популярному источнику вдохновения к природе. Он долгое время наблюдал за осами, чьи жилища были сделаны из древесины и растительных волокон. Цай Лунь провел множество опытов, в которых использовал самые разные материалы для будущей бумаги (кора деревьев, зола и даже рыболовные сети), перемешанные с водой. Полученная масса выкладывалась в специальную форму и сушилась на солнце. Результатом этого колоссального труда стал прозаичный для современного человека предмет бумага.


В 2001 году в городе Лэйян (Китай) был открыт парк, названный в честь Цай Луня.

Распространение бумаги по другим странам не произошло моментально, лишь в начале VII века ее рецепт достиг Кореи и Японии, а до Европы бумага добралась лишь в XIXII веке.

Самым очевидным применением бумаги, конечно же, является и рукописи и полиграфия. Однако японцы нашли ей и более изящное применение оригами, т.е. складывание фигурок из бумаги.


Коротенький экскурс в мир оригами и инженерии.

Вариантов оригами существует великое множество, как и техник их изготовления: простое оригами, кусудама (модульное), мокрое складывание, паттерн-оригами, киригами и т.д. (Иллюстрированная энциклопедия по оригами)

С точки зрения науки оригами это механический метаматериал, свойства которого определяются его геометрией, а не свойствами материала, из которого он изготовлен. Уже довольно давно было продемонстрировано, что универсальные трехмерные развертываемые структуры с уникальными свойствами могут быть созданы с использованием повторяющихся шаблонов оригами.


Изображение 1

На изображении 1b показан пример такой структуры развертываемый сильфон, построенный из одного листа бумаги по схеме на . Из имеющихся вариантов оригами ученые выделили вариант, в котором реализована мозаика из одинаковых треугольных панелей, расположенных в циклической симметрии, известной как оригами Креслинга.

Важно отметить, что структуры на базе оригами бывают двух типов: жесткие и нежесткие.

Жесткое оригами это трехмерные структуры, в которых только складки между панелями подвергаются деформации во время развертывания.

Ярким примером жестких оригами является Миура-ори, использованный для создания механических метаматериалов с отрицательным коэффициентом Пуассона. Такой материал имеет широкий спектр применения: изучения космоса, деформируемая электроника, искусственные мышцы и, естественно, перепрограммируемые механические метаматериалы.

Нежесткие оригами это трехмерные структуры, которые демонстрируют нежесткую упругую деформацию панелей между складками во время развертывания.

Примером такого варианта оригами является упомянутый ранее узор Креслинга, который успешно использовался для создания структур с настраиваемой мультистабильностью, жесткостью, деформациями, смягчением/упрочнением и/или с почти нулевой жесткостью.

Результаты исследования


Вдохновившись древним искусством, ученые решили использовать оригами Креслинга для разработки кластера механических бинарных переключателей, которые можно принудительно переключать между двумя разными статическими состояниями, используя один управляемый вход в виде гармонического возбуждения, прилагаемого к основанию переключателя.

Как видно из 1b, сильфон закреплен на одном конце и подвергается внешней нагрузке в направлении x на другом свободном конце. За счет этого он претерпевает одновременное отклонение и вращение вдоль и вокруг оси x. Энергия, накопленная в процессе деформации сильфона, высвобождается при снятии внешней нагрузки, в результате чего сильфон возвращается к своей первоначальной форме.

Проще говоря, мы видим торсионную пружину кручения, восстанавливающая способность которой зависит от формы функции потенциальной энергии сильфона. Это, в свою очередь, зависит от геометрических параметров (a0, b0, 0) составного треугольника, используемого для построения сильфона, а также от общего количества (n) этих треугольников ().

Для некоторой комбинации геометрических параметров конструкции функция потенциальной энергии сильфона имеет единственный минимум, соответствующий одной устойчивой точке равновесия. Для других комбинаций функция потенциальной энергии имеет два минимума, соответствующих двум устойчивым статическим конфигурациям сильфона, каждая из которых связана с разной равновесной высотой или, в качестве альтернативы, прогибом пружины (). Такой тип пружины часто называют бистабильной (видео ниже).


На изображении 1d показаны геометрические параметры, ведущие к формированию бистабильной пружины, и параметры, ведущие к формированию моностабильной пружины для n=12.

Бистабильная пружина может останавливаться в одном из своих положений равновесия при отсутствии внешних нагрузок и может быть активирована для переключения между ними при наличии надлежащего количества энергии. Именно это свойство и является основой данного исследования, в котором рассматривается создание механических переключателей Креслинга (KIMS от Kresling-inspired mechanical switches) с двумя двоичными состояниями.

В частности, как показано на 1c, переключатель может быть активирован для перехода между двумя его состояниями путем подачи энергии, достаточной для преодоления потенциального барьера (E). Энергия может подаваться в виде медленного квазистатического срабатывания или путем подачи гармонического сигнала на основание переключателя с частотой возбуждения, близкой к локальной резонансной частоте переключателя в его различных состояниях равновесия. В данном исследовании было решено использовать второй вариант, так как гармоническое резонансное срабатывание по некоторым параметрам превосходит квазистатическое.

Во-первых, резонансное срабатывание требует меньшего усилия для переключения и, как правило, происходит быстрее. Во-вторых, резонансное переключение нечувствительно к внешним возмущениям, которые не резонируют с переключателем в его локальных состояниях. В-третьих, поскольку потенциальная функция переключателя обычно асимметрична относительно точки неустойчивого равновесия U0, характеристики гармонического возбуждения, необходимые для переключения с S0 на S1, обычно отличаются от характеристик, необходимых для переключения с S1 на S0, что приводит к возможности селективного по возбуждению двоичного переключения.

Такая конфигурация KIMS прекрасно подходит для создания платы механической памяти из нескольких битов с использованием нескольких двоичных переключателей с разными характеристиками, размещенных на одной платформе с гармоническим возбуждением. Создание такого устройство обусловлено чувствительностью формы функции потенциальной энергии переключателя к изменениям геометрических параметров основных панелей ().

Следовательно, сразу несколько KIMS с различными конструктивными характеристиками могут быть размещены на одной платформе и возбуждены для перехода из одного состояния в другое по отдельности или в комбинации с использованием различных наборов параметров возбуждения.

На этапе практических испытаний были созданы переключатель из бумаги плотностью 180 г/м2 с геометрическими параметрами: 0 = 26.5; b0/a0 = 1.68; a0 = 40 мм и n = 12. Именно такие параметры, судя по расчетам (1d), и приводят к тому, что полученная пружина будет бистабильной. Расчеты же были выполнены посредством упрощенной модели осевой фермы (конструкция из стержней) сильфона.

Используя лазер, на листе бумаги были сделаны перфорированные линии (), которые являются местами складывания. Затем были сделаны складки по краям b0 (загнутые наружу) и 0 (загнутые внутрь), а края дальних концов были плотно соединены. Верхняя и нижняя поверхности переключателя были усилены акриловыми многоугольниками.

Кривая восстанавливающей силы переключателя была получена экспериментально посредством испытаний на сжатие и растяжение, выполненных на универсальной испытательной машине со специальной установкой, позволяющей вращать основание во время тестов (1f).

Концы акрилового многоугольника переключателя были жестко зафиксированы, а к верхнему многоугольнику применялось контролируемое смещение с заданной скоростью 0.1 мм/с. Смещения при растяжении и сжатии применялись циклически и ограничивались величиной 13 мм. Непосредственно перед фактическим тестированием устройства выключатель настраивается путем выполнения десяти таких циклов нагрузки, прежде чем восстанавливающая сила будет записана с помощью 50N датчика нагрузки. На 1g показана кривая восстанавливающей силы переключателя, полученная экспериментально.

Далее путем интегрирования средней восстанавливающей силы переключателя по диапазону срабатывания вычислялась функция потенциальной энергии (1h). Минимумы в функции потенциальной энергии представляют собой статические равновесия, связанные с двумя состояниями переключателя (S0 и S1). Для этой конкретной конфигурации S0 и S1 возникают при высоте развертывания u = 48 мм и 58.5 мм соответственно. Функция потенциальной энергии явно асимметрична с разными энергетическими барьерами E0 в точке S0 и E1 в точке S1.

Переключатели были размещены на электродинамический шейкер, который обеспечивает контролируемые возбуждения основания в осевом направлении. В ответ на возбуждение верхняя поверхность переключателя колеблется в вертикальном направлении. Положение верхней поверхности переключателя относительно основания было измерено с помощью лазерного виброметра ().


Изображение 2

Было установлено, что локальная резонансная частота переключателя для двух его состояний составляет 11.8 Гц для S0 и 9.7 Гц для S1. Чтобы инициировать переход между двумя состояниями, то есть выход из потенциальной ямы*, была проведена очень медленная (0.05 Гц/с) двунаправленная линейная развертка частоты вокруг идентифицированных частот с ускорением основания 13 мс-2. В частности, KIMS изначально был расположен на S0, а возрастающая развертка по частоте была инициирована на 6 Гц.
Потенциальная яма* область, где присутствует локальный минимум потенциальной энергии частицы.
Как видно на 2b, когда частота возбуждения достигает примерно 7.8 Гц, переключатель выходит из потенциальной ямы S0 и входит в потенциальную яму S1. Переключатель продолжал оставаться в S1 по мере дальнейшего увеличения частоты.

Затем переключатель снова был установлен на S0, но на этот раз развертка по убывающей частоте была инициирована на 16 Гц. В этом случае, когда частота приближается к 8.8 Гц, переключатель выходит из S0 и входит и остается в потенциальной яме S1.

Состояние S0 имеет полосу активации 1 Гц [7.8, 8.8] при ускорении 13 мс-2, а S1 67.7 Гц (). Из этого следует, что KIMS может выборочно переключаться между двумя состояниями за счет гармонического возбуждения основания одинаковой величины, но разной частоты.

Ширина полосы переключения KIMS имеет сложную зависимость от формы его функции потенциальной энергии, характеристик демпфирования и параметров возбуждения гармоник (частоты и величины). Кроме того, из-за смягчающего нелинейного поведения переключателя ширина полосы активации необязательно включает в себя линейную резонансную частоту. Таким образом, важно, чтобы карта активации переключателей была создана для каждого KIMS индивидуально. Эта карта используется для характеристики частоты и величины возбуждения, что приводит к переключению из одного состояния в другое и наоборот.

Такую карту можно создать экспериментально путем частотной развертки на разных уровнях возбуждения, но этот процесс весьма трудоемкий. Посему ученые решили на этом этапе перейти к моделированию переключателя, используя функцию потенциальной энергии, определенной во время опытов (1h).

Модель предполагает, что динамическое поведение переключателя может быть хорошо аппроксимировано динамикой асимметричного бистабильного осциллятора ГельмгольцаДуффинга, уравнение движения которого может быть выражено так:



где u отклонение подвижной грани акрилового многоугольника относительно неподвижной; m эффективная масса переключателя; c коэффициент вязкого демпфирования, определенный экспериментально; ais бистабильные коэффициенты восстанавливающей силы; ab и базовая величина и частота ускорения.

Основная задача моделирования состоит в использовании данной формулы для установления комбинаций ab и , которые позволяют переключаться между двумя разными состояниями.

Ученые отмечают, что критические частоты возбуждения, при которых бистабильный осциллятор переходит из одного состояния в другое, могут быть аппроксимированы двумя частотами бифуркации*: бифуркация удвоения периода (PD) и бифуркация циклической складки (CF).
Бифуркация* качественное изменение системы посредством изменения параметров, от которых она зависит.
Используя аппроксимацию были построены кривые частотной характеристики KIMS в двух его состояниях. На графике показаны кривые частотной характеристики переключателя в S0 для двух различных базовых уровней ускорения.

При базовом ускорении 5 мс-2 кривая амплитудно-частотная кривая показывает небольшое смягчение, но без нестабильности или бифуркаций. Таким образом, переключатель остается в состоянии S0, независимо от того, как меняется частота.

Однако, когда базовое ускорение увеличивается до 13 мс-2, стабильность снижается за счет PD бифуркации при уменьшении частоты возбуждения.

По такой же схеме были получены кривые частотной характеристики переключателя в S1 (2f). При ускорении 5 мс-2 наблюдаемая картина остается прежней. Однако по мере увеличения базового ускорения до 10 мс-2 появляются PD и CF бифуркации. Возбуждение переключателя на любой частоте между этими двумя бифуркациями приводит к переключению с S1 на S0.

Данные моделирования говорят о том, что на карте активации есть обширные области, в которых каждое состояние может быть активировано уникальным образом. Это позволяет избирательно переключаться между двумя состояниями в зависимости от частоты и величины срабатывания. Также видно, что есть область, где оба состояния могут переключаться одновременно.


Изображение 3

Комбинация из нескольких KIMS может быть использована для создания механической памяти из нескольких битов. Меняя геометрию переключателя таким образом, чтобы форма функции потенциальной энергии любых двух переключателей была достаточно различной, можно спроектировать ширину полосы активации переключателей так, чтобы они не перекрывались. За счет этого для каждого переключателя будут уникальные параметры возбуждения.

Для демонстрации этой техники была создана 2-битная плата на базе двух переключателей с различными характеристиками потенциала (): бит 1 0 = 28; b00 = 1.5; а0 = 40 мм и n = 12; бит 2 0 = 27; b00 = 1.7; а0 = 40 мм и n = 12.

Поскольку каждый бит имеет два состояния, всего может быть достигнуто четыре различных состояния S00, S01, S10 и S11 (3b). Цифры после S обозначают значение левого (бит 1) и правого (бит 2) переключателя.

Поведение 2-битного переключателя показано на видео ниже:










На базе данного устройства можно также создать кластер переключателей, которые могут быть основой многобитовых плат механической памяти.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


Вряд ли кто-либо из создателей оригами мог себе представить, как их творение будет использоваться в современном мире. С одной стороны, это говорит о большом числе сложных элементов, сокрытых в обычных бумажных фигурках; с другой о том, что современная наука способна эти элементы применять для создания чего-то совершенно нового.

В данном труде ученые смогли использовать геометрию оригами Креслинга для создания простого механического переключателя, способного в зависимости от вводных параметров быть в двух разных состояниях. Это можно сравнить с 0 и 1, которые являются классическими единицами измерения информации.

Полученные устройства были объединены в систему механической памяти, способной хранить 2 бита. Зная, что одна буква занимает 8 бит (1 байт), возникает вопрос сколько же понадобится подобных оригами, чтобы записать Войну и мир, например.

Ученые прекрасно понимают скептицизм, который может вызывать их разработка. Однако, по их же словам, данное исследование является разведкой в области механической памяти. Кроме того, использованные в опытах оригами не должны быть большими, их габариты можно значительно уменьшить, при этом не ухудшив их свойства.

Как бы то ни было, этот труд нельзя назвать ординарным, банальным или скучным. Наука далеко не всегда используется для разработки чего-то конкретного, а ученые далеко не всегда изначально знают, что именно создают. Ведь большинство изобретений и открытий были результатом простого вопроса а что если?

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Самосборное оригами материал с памятью формы на основе кератина

09.09.2020 10:06:55 | Автор: admin


Как человеку с нестандартными габаритами (а-ля швабра с ушками), я прекрасно знаю, как порой сложно подобрать какой-либо элемент гардероба нужного размера. Видимо кто-то из ученых Гарвардского университета также сталкивался с подобной житейской проблемой, потому как в недавнем своем исследовании они описывают новый тип материала, обладающий памятью формы. Основой данного новшества является белок, который легко найти в волосах, ногтях и коже, кератин. Как именно был использован любимец маркетологов производителей косметики, на какие метаморфозы способен новый материал, и какие варианты применения материала-метаморфа? Для получения ответов на эти опросы нырнем в доклад ученых. Поехали.

Основа исследования


На протяжении последних нескольких лет интерес к материалам, способным запоминать определенные формы, заданные во время производства, значительно возрос. Применяться такие материалы могут в медицине, строительной и аэрокосмической промышленностях и т.д. Однако, как заявляют сами ученые, степень интереса к такого рода разработкам нельзя приравнивать к степени имеющейся информации о них. Другими словами, у таких материалов пока еще много нераскрытых секретов.

Материалы-метаморфы чаще всего ассоциируют с синтетическими веществами, однако подобными свойствами обладают и природные структуры, что обусловлено структурной метастабильности вторичных структур белков. К примеру, известно, что кератиновые -спирали, расположенные в виде спиральной катушки, претерпевают непрерывный структурный переход в метастабильные -листы, когда нагрузка прилагается вдоль их продольной оси. В зависимости от вида -кератина этот процесс может быть необратимым или обратимым, причем во втором случае он напоминает мартенситный* механизм памяти формы металлических сплавов.
Мартенситное превращение* полиморфное превращение, при котором изменение взаимного расположения атомов (или молекул) кристалла происходит путем их упорядоченного перемещения.
В биологических материалах (кожа животных, например) такой механизм преобразования обусловлен необходимостью в защите и физиологическом функционировании в ответ на внешний раздражитель.

В данном труде ученые старались реализовать обратимый переход кератина от -спирали к -листу. По их мнению именно этот процесс является основным механизмом создания высокотехнологичного наноструктурированного материала с памятью формы, который использует гидратацию в качестве спускового механизма и по своей природе является биосовместимым и биоразлагаемым.

Результаты исследования



Изображение 1

В волосах животных индуцированный деформацией переход от -спирали к -листу возможен из-за парной конфигурации -спиралей в архитектуру спиральная катушка* ().
Спиральная катушка* (Coiled coil) структурный мотив белков, когда от 2 до 7 альфа-спиралей переплетаются как пряди веревки.
Спиральные катушки иерархически самоорганизуются в анизотропную фибриллярную структуру, которая варьируется от протофибрилл* до макрофибрилл*, что обеспечивает непрерывность механической трансформации во всех пространственных масштабах.
Протофибриллы* тончайшие белковые нити, которые составляют основную массу миофибрилл.

Миофибриллы* сократимые нити в протоплазме поперечнополосатых мышечных волокон скелетной мускулатуры, сердечной мышцы и мышц с двойной косой исчерченностью.
В данном исследовании фибриллярный кератин был извлечен из ангорской шерсти с использованием бромида лития (LiBr) соли, которая может вызвать обратимый фазовый переход кристаллического кератина в воде из твердого состояния в жидкое.

Другим требованием для высвобождения волокнистого кератина из структуры волос является разрушение плотной дисульфидной сети компонента матрицы волоса. Это было достигнуто с использованием 1.4-дитиотреитола (DTT, C4H10O2S2), который способен расщеплять дисульфидную связь с образованием двух сульфгидрильных фрагментов. Данная реакция обратима в условиях окисления, что позволяет восстановить природные дисульфидные мостики во время изготовления материала.

Затем кератин был успешно извлечен путем обработки шерсти водным раствором LiBr и DTT при высокой температуре (1b). При комнатной температуре кератин был окончательно изолирован посредством разделения жидкой фазы, что позволило создать высококонцентрированный раствор кератина, срок хранения которого составляет несколько недель в случае отсутствия кислорода.

Также были проведены Рамановская спектроскопия и круговой дихроизм, которые подтвердили наличие спиральных катушек -спиралей. Доказательства иерархической структуры кератина вплоть до протофибриллярного уровня были подтверждены криогенной просвечивающей электронной микроскопией (крио-ПЭМ). Во время микроскопии было установлено, что длина узлов находится в пределах нескольких микрометров, а ширина около 10 нм (), что полностью соответствует структурным особенностям промежуточных волокон. Также удалось установить, что иерархическая структура промежуточных филаментов состоит из упакованных протофибрилл с постоянной шириной ~ 3 нм.

Реализация иерархической архитектуры кератина, которая сможет обеспечить дальнее упорядочение исполнительных единиц -спирали, требует наложения анизотропного выравнивания протофибрилл в процессе изготовления. Было обнаружено, что кератиновые протофибриллы самоорганизуются в нематическую кристаллическую фазу под действием напряжения сдвига и пространственных ограничений. Этот факт был установлен за счет наблюдения анизотропной природы рассеяния синхротронных рентгеновских лучей, которая была получена из образца раствора кератина (401.7 мг/мл), приготовленного в кварцевом капилляре (1d).

Во время анализа капилляр располагался перпендикулярно пучку рентгеновских лучей, а его продольная ось была параллельна меридиональной оси детектора. Экваториальный характер рассеяния предполагает, что кератиновые домены были преимущественно ориентированы параллельно оси капилляра (вставка на 1d). Среднее расстояние между кератиновыми доменами связано с параметром размера решетки (d), который получается из максимальной интенсивности модуля вектора рассеяния (q): d = 2 / q.

Ученые предполагают, что нематическая упорядоченность кератинового протофиламента* является результатом напряжения сдвига, которое создается на стенке капилляра во время подготовки образца, а также результатом дальнейшей стабилизации за счет ограниченного пространства.
Протофиламенты* нитевидные белковые структуры, являющиеся строительными элементами микротрубочок (белковые внутриклеточные структуры, входящие в состав каркаса клетки).
В таком случае ожидается, что повышенная жесткость и самосборка кератиновых протофибрилл приведет к более высокой степени упорядоченности нематической (нитевидной) фазы. Контроль над самоорганизацией кератиновой жидкокристаллической фазы был достигнут за счет стимулирования взаимодействий типа белок-белок посредством эффекта экранирования заряда. Ввиду наличия катионов лития, которые абсорбируются на поверхности белка, кератин будет иметь чистый положительный заряд. А фосфатный анион был использован, так как обладает высоким экранирующим эффектом по отношению к положительно заряженным поверхностям (1e).

Добавление дигидрофосфата натрия (NaH2PO4) вызывало уплотнение упаковки нематической фазы кератина, на что указывает сдвиг пика в сторону более высокого значения q (1f).

При добавлении космотропной* соли также наблюдалось сужение экваториальной картины рассеяния и, как следствие, обострение пика рассеяния, что указывает на усиление выравнивания кератинового домена вдоль оси капилляра (1g).
Космотропными* называют сорастворители, если они способствуют стабильности и структуре взаимодействий вода-вода. Космотропы вызывают усиление взаимодействия молекул воды, что также стабилизирует внутримолекулярные взаимодействия в макромолекулах, таких как белки.
При увеличении концентрации NaH2PO4 агрегация протофибрилл вызывает увеличение вязкости белкового раствора при низких скоростях сдвига (1h). Однако при увеличении скорости сдвига выравнивание протофибрилл кератина вызывает внезапное уменьшение вязкости, что придает раствору белка выраженную псевдопластичность*.
Псевдопластичность* возникает, когда вязкость жидкости уменьшается при увеличении напряжения сдвига.
При концентрации NaH2PO4 в 40 мМ и концентрации протофиламентов 401.7 мг/мл кератиновый допант демонстрирует вязкоупругие свойства. Это хорошая новость для исследователей, поскольку волокна можно формировать напрямую, просто вытягивая белок пинцетом (1i). Если же снизить концентрацию NaH2PO4, то раствор кератина теряет вязкоупругие свойства и не может образовывать волокна непосредственно из раствора.

Как отмечают ученые, выравнивание кератиновых -спиралей вдоль оси волокна является критерием проектирования, обеспечивающим высокую прочность и высокую степень фиксации волокон. Когда оси -спирали параллельны вектору натяжения, может быть получено максимальное раскручивание -спиралей, что позволяет увеличить деформацию материала до разрушения из-за пластической деформации и реорганизации.


Изображение 2

Водный раствор NaH2PO4 был использован в качестве антирастворителя, что позволило достичь внешней диффузии LiBr из экструдированного кератинового допанта и дальнейшей самосборки белка за счет эффекта экранирования заряда (). Восстановление дисульфидной ковалентной сети стало возможным благодаря окислительной активности пероксида водорода (H2O2) в отношении тиоловой группы цистеина. Высокая концентрация белка в прядильном растворе придает волокну прочность во время процесса коагуляции, что обеспечивает гибкий и надежный процесс прядения.

В результате можно получить длинные и прочные волокна (2b), а высокая скорость производства позволяет достичь волокон диаметром 10 мкм.

Нематическая фазовая организация кератиновых протофибрилл приводит к процессу фибрилляции, который генерирует иерархически структурированные и анизотропные волокна. Растровый электронный микроскоп показал, что одно волокно состоит из непрерывных фибрилл, длина которых составляет не менее нескольких десятков микрометров (2b). Также было замечено, что фибриллы диаметром 50 нм являются сердцевиной полученного волокна (2d).

Поляризационная оптическая микроскопия подтвердила анизотропный характер сердцевины волокна, что было установлено наблюдением двойного лучепреломления с максимальной интенсивностью проходящего света под углом 45 (2e).

То, что структура спиральной катушки имеет анизотропную архитектуру, было установлено с помощью широкоугольного рентгеновского рассеяния (WAXS от wide-angle X-ray scattering). Двумерный профиль рассеяния показывает характерное экваториальное отражение при 9.65 , что соответствует расстоянию между осями соседних -спиралей (2g). Одномерный анализ вдоль оси меридиана показывает наличие характерных меридиональных (при 5.15 ) и внемеридиональных (5.05 ) отражений, которые соответствуют проекции шага -спирали (2h).

Также было установлено, что максимум смещен в сторону более высоких значений q, т.е. имеются развернутые пептидные цепи, ориентированные параллельно оси волокна и, вероятно, образующие конформацию -слоя (2i).


Изображение 3

На следующем этапе исследования было проведено изучение волокон с памятью формы, которые реагируют на гидратацию.

Эффект памяти формы сконструированных кератиновых волокон основан на обратимом разматывании -спирали и на формировании метастабильных -листов при одноосной деформации (3a).

Испытания на растяжение, проведенные на индивидуальных кератиновых волокнах, подтвердили наличие этого механизма. Было установлено начальное упругое состояние до ~ 5% деформации (модуль Юнга = 4.18 0.10 ГПа). Далее следует область, которая характеризуется постоянным пределом текучести (96.1 3.1 МПа) (3b). Эта реакция соответствует процессу развертывания -спирали.

По мере дальнейшего увеличения напряжения развернутые и удлиненные пептидные цепи кератина стабилизируются в своей вытянутой геометрии путем сборки в -слои (3c). Эта область формирования -листа характеризуется деформационным упрочнением при деформации ~ 50%, так как приложенная нагрузка не только рассеивается за счет разрушения свернутых в спираль катушек, но также переносится растяжением -листов. Когда нагрузка снимается при стопроцентной деформации (предел прочности на разрыв 137,18 1,03 МПа), волокно демонстрирует пластическую деформацию (~ 85%), которая согласуется с преобразованием кератиновых развернутых цепей в новые метастабильные -листы. Механические свойства полученных кератиновых волокон полностью соответствуют таковым у натуральной шерсти.

Важно отметить, что в ненапряженных волокнах также присутствует незначительная доля -листов (3d), однако при стопроцентной деформации наблюдается значительное увеличение компонента -листов. Проведенный WAXS анализ подтвердил наличие перехода от -спирали к -слою, индуцированного деформацией (3e).

В растянутом волокне -листы кинетически стабильны из-за наличия сети водородных связей, которая препятствует их обратному превращению в более термодинамически стабильные -спирали. Именно это свойство позволяет создать систему с циклом памяти формы, в котором сеть водородных связей выполняет роль блокирующего механизма для обеспечения фиксации деформированной формы.

В ходе опытов роль стимула, способствующего деформации волокна и восстановлению исходной формы, сыграла вода (3f). Методика была протестирована на пучке кератиновых волокон одинакового диаметра (3g и видео ниже).


Демонстрация памяти формы на примере отдельных волокон.

Сначала пучок волокон гидратировали в деионизированной воде в течение нескольких секунд (состояние A), потом растягивали вручную на воздухе, пока еще во влажном состоянии (состояние B), а затем выдерживали под нагрузкой при комнатной температуре в течение 10 минут, чтобы дать волокнам высохнуть (состояние C).

После удаления грузиков, что позволило волокнам перейти в расслабленное состояние, не наблюдалось видимого или заметного изменения длины между растянутой и расслабленной формами (состояние D).

Если же к полученным волокнам вновь применить воду (посредством распыления), то наблюдается сокращение волокон до их исходной длины в течение нескольких секунд (состояние A).

Использование воды в происходящих метаморфозах значительно облегчает процесс перестройки структуры белка. На это указывает общее снижение растягивающего напряжения (3h) и более постепенный переход между состояниями волокон.

Когда волокно высыхает под нагрузкой, на образование -листов указывает резкое увеличение напряжения, соответствующее усилению жесткости волокон, которое можно измерить с течением времени по мере обезвоживания волокон и образования водородных связей (3i).

Полученный материал за счет дальнего упорядочения своей фибриллярной структуры в сухом состоянии демонстрирует предел прочности на разрыв (137.18 1.03 МПа) и модуль Юнга (4.18 0.10 ГПа), что значительно лучше, чем у ранее разработанных прототипов. При гидратации прочность на разрыв составляет 14.94 0.46 МПа, что также значительно превосходит другие разработанные материалы.

Помимо свойств и характеристик у разработанного материала есть еще одно превосходство над конкурентами возможность его применения в 3D-печати.


Изображение 4

Базовые геометрические формы могут быть получены путем экструзии белкового допанта в гидрогель, который служит как поддерживающая и коагуляционная ванна (). Свойства кератина позволяют использовать иглы малого размера, что позволяет создавать структуры в масштабе примерно 50 мкм (4b).

Выравнивание протофибрилл кератина следует по пути экструзии при 3D-печати и, следовательно, приводит к высокоупорядоченным архитектурам, которые характеризуются внутренней структурной иерархией от молекулярного до макроскопического уровня (4c).

После того как желаемый образец был напечатан на 3D-принтере, необходимо достичь фиксации постоянной формы. Для этого необходимо образование дисульфидных мостиков за счет окисления, вызванного H2O2. До процесса окисления образцами все же можно манипулировать, меняя их форму, ввиду пластичности.

Например, во время тестов из напечатанного листа была вручную изготовлена звезда (оригами), которая в дальнейшем прошла этап фиксации формы посредством окисления в H2O2 и NaH2PO4 (4d). Следовательно, нет необходимости сразу печатать нужную форму, ее можно сделать после печати и перед этапом фиксации (4e).


Демонстрация памяти формы на примере напечатанного образца.

Как и волокна, протестированные ранее, напечатанные фигурки обладают теми же чувствительными к влаге свойствами памяти формы. По словам ученых, архитектура оригами в форме звезды была выбрана для демонстрации эффективности механизма памяти формы при выполнении довольно сложных геометрических преобразований.

При гидратации напечатанная на 3D-принтере модель оригами податлива и может быть развернута и произвольно преобразована, например, в свернутую трубку (слева на 4f). По мере высыхания квадратный лист теряет пластичность и фиксируется в своей новой временной форме. Восстановление звездообразной архитектуры оригами затем запускается регидратацией, которая происходит в течение нескольких секунд из-за высокого отношения поверхности к объему, вызывающего быстрое воздействие воды на кератин (справа на 4f). Другими словами, напечатанный лист сначала разворачивается до своей предыдущей конфигурации, а затем самостоятельно складывается в форму звезды.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


В данном труде ученые продемонстрировали новый тип материала, обладающего памятью формы, активизирующейся посредством контакта с водой. Основой процесса самопроизвольного преобразования одной заданной формы в другую является переход -спиралей кератина в -листы.

Полученный материал возможно использовать в 3D-печати, при этом можно изначально задавать нужную форму или сделать это после печати обычного листа. Изменение формы после печати возможно за счет пластичности полученного образца, форма которого может быть зафиксирована уже на этапе окисления. Подобный двухэтапный процесс позволяет создавать крайне сложные формы с настраиваемыми структурными особенностями вплоть до микронного уровня.

Авторы сего исследования говорят, что спектр применения их разработки достаточно велик. Материалы с памятью формы могут быль использованы как в легкой промышленности (например, футболка, которая меняет размер по вашему желанию), так и в медицине (активирующие ткани).

Результаты экспериментов достаточно хороши, однако ученые намерены и дальше проводить опыты, ибо материалы, архитектура которых может меняться в зависимости от внешнего воздействия и по желанию человека, являются весьма любопытным объектом для изучения.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Категории

Последние комментарии

  • Имя: Макс
    24.08.2022 | 11:28
    Я разраб в IT компании, работаю на арбитражную команду. Мы работаем с приламы и сайтами, при работе замечаются постоянные баны и лаги. Пацаны посоветовали сервис по анализу исходного кода,https://app Подробнее..
  • Имя: 9055410337
    20.08.2022 | 17:41
    поможем пишите в телеграм Подробнее..
  • Имя: sabbat
    17.08.2022 | 20:42
    Охренеть.. это просто шикарная статья, феноменально круто. Большое спасибо за разбор! Надеюсь как-нибудь с тобой связаться для обсуждений чего-либо) Подробнее..
  • Имя: Мария
    09.08.2022 | 14:44
    Добрый день. Если обладаете такой информацией, то подскажите, пожалуйста, где можно найти много-много материала по Yggdrasil и его уязвимостях для написания диплома? Благодарю. Подробнее..
© 2006-2024, personeltest.ru