Осьминоги вдохновляют ученых

В предыдущем номере мы писали о черно-белом «камуфляже головоногих», который сделали исследователи из Хьюстонского университета, университета Иллинойса в Урбане-Шампейне и Северо-Западного университета. Конкуренция в этой области нешуточная: чуть позже в «Nature Communications» появилось сообщение о том, что в Массачусетском технологическом институте тоже создали материал, способный менять окраску и рисунок подобно тому, как это делают головоногие («Nature Communications», 2014, 4899, 5, doi: 10.1038/ncomms5899). Однако принцип его работы совершенно иной. Это очень эластичный растягивающийся полимер, к цепи которого пришиты специальные молекулы, способные обратимо менять окраску при внешнем воздействии. Авторы исследования утверждают, что новые эластомеры не очень дорогие и их синтез легко адаптировать к стандартному производственному процессу.

Сегодня гибкие материалы, способные светиться и менять свой цвет, очень востребованы. Их можно использовать ив производстве дисплеев, и как складные осветительные приборы; такие гибкие биосовместимые лампы нужны в медицине. Подобный материал может пригодиться и для военного камуфляжа. Чтобы создать такие дистанционно управляемые материалы, ученые пробовали разные подходы. Например, встраивали жесткие светодиоды в эластомеры, использовали растягивающиеся электролюминесцентные полимеры и создавали микрофлюидные сети, заполненные окрашенными жидкостями.

Между тем в природе есть подобные примеры, и они работают безотказно. Головоногие моллюски — осьминоги, каракатицы и кальмары — очень хорошо умеют менять свой камуфляж в ответ на внешние стимулы. Например, осьминоги могут за секунду изменить свой цвет несколько раз. В их коже есть микроскопические «сумки», содержащие пигменты (хроматофоры). Они окружены многочисленными радиальными мускулами, которые способны быстро изменять размер емкостей с пигментами. Как только анализаторы, расположенные в глазах и щупальцах, дают команду, соответствующие отделы нервной системы передают импульс, мускулы растягивают сумки с нужным пигментом и кожа окрашивается в другой цвет или приобретает узор. Когда опасность миновала — мускулы расслабляются и осьминог становится самим собой. Головоногие маскируются не только под окружающий ландшафт, но и под других животных. Так, осьминоги вида Thaumoctopus mimicus, обитающие в тропических морях Юго-Восточной Азии, способны копировать более пятнадцати различных морских организмов.

Вдохновленные этой стратегией, исследователи Массачусетского технологического института пришили к полимерной цепи кремнийорганического эластомера молекулы спиропирана. Спиропираны — это органические соединения, которые могут менять цвет и сильно флуоресцировать в ответ на механическое воздействие. При сильной деформации разрывается углерод-кислородная связь, и почти не окрашенное соединение превращается в синюю мероциановую форму.

Сначала исследователи посмотрели, как меняется цвет материала при растяжении, и убедились, что бледно-желтый эластомер превращается в синий. Потом его облучали зеленым светом (545 нм) и наблюдали, как сильно он флуоресцирует в красных тонах (590—650 нм). При малых растяжениях материал почти не светился, но чем сильнее его растягивали, тем сильнее была его флуоресценция.

Далее ученые посмотрели, как эластомер будет себя вести в электрическом поле, для чего защитили новый материал специальным слоем и поместили его между тонкой золотой фольгой и прозрачным электродом. По мере возрастания напряжения ровная поверхность эластомера становилась неустойчивой, образовывались морщинки, потом она деформировалась еще больше морщинки превращались в воронки. В какой-то момент механическая деформация становилась достаточной, чтобы эластомер начал флуоресцировать (как в предыдущем эксперименте), и тогда ученые наблюдали окрашенные участки. Результат был далек от рекорда осьминога, но все же удалось получить флуоресцирующий рисунок на поверхности материала (круги, линии и даже буквы), который менялся в зависимости от того, какой формы объект подкладывали под пленку. При выключении источника тока поверхность эластомера восстанавливалась, причем материал выдержал как минимум сто таких циклов без потери свойств.

Неизвестно, как скоро из нового материала можно будет сшить камуфляжную одежду для американской армии, но он явно оставляет простор для дальнейших исследований. Модифицируя хромофор, можно расширить диапазон цветов и узоров, а также увеличить число циклов камуфляжа.

Механизм работы хроматофоров в коже осьминога и схема образования флуоресцентных рисунков на поверхности эластомера в электрическом поле