Блог

Jun 05, 2023

Химический хамелеон: Самость

Автор: Университет штата Флорида, 6 июля 2023 г. Примеры химических садов, созданных в лаборатории Оливера Стейнбока, профессора химии Университета штата Флорида. Фото: предоставлено штатом Флорида.

Автор: Университет штата Флорида, 6 июля 2023 г.

Примеры химических садов, созданных в лаборатории Оливера Стейнбока, профессора химии Университета штата Флорида. Фото: предоставлено Университетом штата Флорида.

Florida State UniversityFlorida State University (Florida State or FSU) is a public space-grant and sea-grant research university in Tallahassee, Florida, United States that was established in 1851. The university comprises 16 separate colleges and more than 110 centers, facilities, labs, and institutes that offer more than 360 programs of study, including professional school programs." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Ученые Университета штата Флорида разработали математическую модель, объясняющую рост, формирование структуры и свойства самовосстановления химических садов. Эти открытия могут привести к разработке самовосстанавливающихся материалов.

С середины 1600-х годов химики были очарованы яркими кораллоподобными структурами, которые образуются в результате смешивания солей металлов в маленькой бутылочке.

До сих пор исследователям не удавалось смоделировать, как работают эти обманчиво простые трубчатые структуры, называемые химическими садами, а также закономерности и правила, управляющие их формированием.

В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, исследователи из Университета штата Флорида излагают модель, которая объясняет, как эти структуры растут вверх, принимают различные формы и как они превращаются из гибкого, самовосстанавливающегося материала в более хрупкий.

“In a materials context, it’s very interesting,” said FSU Professor of Chemistry and Biochemistry Oliver Steinbock. “They don’t grow like crystals. A crystal has nice sharp corners and grows atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> атом слой за атомом слой. А когда в химическом саду образуется дыра, она самовосстанавливается. Это действительно первые шаги в изучении того, как создавать материалы, которые могут самостоятельно реконфигурироваться и восстанавливаться».

Обычно химические сады образуются, когда частицы солей металлов помещаются в раствор силиката. Растворяющаяся соль вступает в реакцию с раствором, образуя полупроницаемую мембрану, которая выбрасывается вверх в растворе, создавая биологическую структуру, похожую на коралл.

Ученые впервые наблюдали химические сады в 1646 году и на протяжении многих лет были очарованы их интересными образованиями. Химический процесс связан с образованием гидротермальных источников и коррозией стальных поверхностей, на которых могут образовываться нерастворимые трубки.

«Люди поняли, что это странные вещи», — сказал Стейнбок. «У них очень долгая история в химии. Это стало больше похоже на демонстрационный эксперимент, но в последние 10-20 лет учёные снова ими заинтересовались».

Вдохновение для создания математической модели, разработанной Стейнбоком вместе с постдокторантом Бруно Батистой и аспирантом Амари Моррисом, пришло из экспериментов, в которых раствор соли постепенно вводился в больший объем силикатного раствора между двумя горизонтальными пластинами. Они показали различные способы роста и то, что материал сначала эластичный, но с возрастом материал становится более жестким и имеет тенденцию ломаться.

Заключение между двумя слоями позволило исследователям смоделировать ряд различных форм, некоторые из которых похожи на цветы, волосы, спирали и червей.

В своей модели исследователи описали, как эти закономерности возникают в ходе развития химического сада. Солевые растворы могут сильно различаться по химическому составу, но их модель объясняет универсальность образования.

Например, узоры могут состоять из рыхлых частиц, складчатых мембран или саморасширяющихся нитей. Модель также подтвердила наблюдения о том, что свежие мембраны расширяются в ответ на микроразрывы, демонстрируя способность материала к самовосстановлению.