CC BY
40
3 НАУКА В КАРТИНКАХ
МИР ГЛАЗАМИ НАУКИ
В этом выпуске в рубрике «Наука в картинках» - работы участников конкурсов разных лет «Наука как искусство», организованных американским Обществом по изучению свойств материалов (MRS), Университетом Клемсона и Университетом Северной Каролины в Чапел Хилл (США), а также российского конкурса «Наука - это красиво!»
Эти полиуретановые ленты, содержащие 5 мас. % полипропилениминовых дендримеров, способны генерировать оксид азота, губительно действующий на инфекционные агенты.
Сканирующая электронная микроскопия. Фото Ю. Лу
Бинты нового поколения
В организме оксид азота (NO (II), двухатомный свободный радикал) продуцируется макрофагами и другими иммунными клетками, участвующими в процессе воспаления: это вещество играет ключевую роль в механизмах врожденного (неспецифического) иммунного ответа на патогены. И в этом смысле оксид азота имеет серьезный фармакологический потенциал. Важным этапом на пути понимания физиологической роли оксида азота и развития соответствующих терапевтических направлений является синтез искусственных веществ, способных производить оксид азота вне организма.
Такими веществами стали модифицированные дендримеры - разветвленные органические макромолекулы древовидной структуры (Lu etal, 2011). Скорость выделения NO этими веществами определяется как размерами и формой самих дендримеров (молекулярной массой и степенью разветвленности), так и их внешним окружением.
Исследователям из Университета Северной Каролины (США) удалось получить ряд полипропилениминовых (ППП) дендримеров, которые можно использовать в качестве добавок к биомедицинским полимерам. Такие ППП-дендримеры вносили в медицински чистый раствор полиуретана в тетрагидрофуране. Из полученной смеси при помощи методики так называемого электроспиннинга изготавливали полиуретановые ткани, способные выделять NO.
Технология электроспиннинга была разработана еще в 1930-е гг., но интерес к ней возрос в последние годы в связи с возможностью использования этого метода для производства биомедицинских материалов. Суть технологии в том, что раствор полимера подается по игле с помощью шприца с определенной скоростью, в результате чего на конце иглы образуется капля. Сама игла находится под напряжением: при низком напряжении раствор полимера удерживается на кончике иглы за счет сил поверхностного натяжения; при увеличении напряжения капля полимера вытягивается, принимая коническую форму (конус Тейлора). При достижении критической величины напряжения сила поверхностного натяжения преодолевается электростатическими силами отталкивания, в результате чего с конца конуса выбрасывается электрически заряженная струя (нить) полимера. Нить оседает на специальную заземленную подложку, и после испарения растворителя на подложке остается сухое полимерное волокно.
Структуру таких волокон можно менять, варьируя физические свойства (вязкость, проводимость и т. п.) исходного полимерного раствора, скорость подачи полимера, а также напряжение, подаваемое на иглу. Когда полимерная пленка формируется на поверхности струи, волокна приобретают форму ленты: после испарения растворителя атмосферное давление сплющивает круглое сечение струи.
В полученном таким способом биополимере содержание оксида азота достигает достаточно больших величин - примерно 0,1 мкмоль/мг. Такую ткань уже можно использовать в качестве перевязочного материала: оксид азота будет помогать бороться с инфекцией и способствовать заживлению ран.
Ю. Лу, М. Х. Шонфиш (Университет Северной Каролины, Чапел Хилл, США)
125
© Y. Lu, M. H. Schoenfisch, 2013
НАУКА В КАРТИНКАХ
Этот на первый взгляд скальный ландшафт в действительности представляет собой наноматериал из тончайших двумерных пластинок соединения на основе карбида титана.
Электронная микрофотография Б. Анасори (Университет Дрекселя, США)
Image courtesy of the Materials Research Society (www.mrs.org) Science as Art Competition and Babak Anasori, Michel W. Barsoum, Yury Gogotsi and Michael Naguib, Drexel University
Утес двумерного мира
Так называемые двумерные материалы, т. е. структуры с относительно очень малой толщиной, привлекли внимание ученого сообщества совсем недавно. Самый известный на сегодня двумерный материал - это графен, состоящий из одноатомного слоя углерода. В 2010 г. за исследование электронных свойств графена А. Гейм и К. Новоселов, бывшие советские ученые, стали лауреатами Нобелевской премии по физике.
Благодаря своим необычным свойствам графен находит широкое применение в различных областях - от создания новых композитных материалов до электроники и новых типов электрических батарей. Но это лишь один из представителей большой группы двумерных структур, в которую также входят глины (глиноземы), гексагональный нитрид бора, дисульфид молибдена и другие хорошо известные и широко использующиеся материалы. Более того, семейство таких материалов продолжает расти по мере открытия новых соединений с двумерной структурой.
Например, двумерной структурой может обладать карбид титана (Ti3C2). В сканирующем электронном микроскопе стопки двумерных слоев карбида титана очень напоминает пустынный горный утес.
Эта форма карбида титана входит в новое большое семейство двумерных карбидов и карбонитридов переходных металлов, которые были недавно открыты учеными из Университета Дрекселя (США). Представители этого семейства были названы MX-енами, так как они получаются расщеплением на слои так называемых MAX-фаз.
Последние, в свою очередь, образуют еще более обширное семейство тройных карбидов, карбонитридов и нитридов переходных металлов с химической формулой Mn+1AXn, где М - переходный металл первых переходных групп (Ti, Cr, Nb и т. п.); A- элемент подгруппы А IV-VI групп (Al, Si, Sn, S, Pb и т. д.); X- углерод или азот; n принимет значения от 1 до 3. В настоящий момент известно около тысячи различных MAX-фаз.
Для получения MX-ена MAX-фазу обрабатывают соединением плавиковой кислоты, благодаря чему из него удаляется элемент группы A. В результате получаются слабосвязанные слои MX-фазы, которые далее отделяют друг от друга в водной среде при помощи ультразвука.
Поверхность слоев MX-енов гидрофильная, но при этом они обладают хорошей электропроводимостью, благодаря чему могут использоваться как аноды для литиевых аккумуляторов и электроды для электрохимических конденсаторов.
На сегодняшний день успешно получены семь различных MX-енов. Простота описанной технологии позволяет надеяться, что такие структуры могут быть получены не только в лабораторных, но и в промышленных количествах.
М. Нагиб, Б. Анасори, М. В. Барсум, Ю. Гогоци (Университет Дрекселя,
Филадельфия, США)
Литература
Naguib M., Mashtalir O., Carle J, Presser V, Lu J. et al. Two-Dimensional Transition Metal Carbides, ACS Nano 6(2) 1322-1331 (2012), http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ nn204153h
127
© M. Naguib, B. Anasori,
M.W. Barsoum, Y. Gogotsi, 2013
НАУКА В КАРТИНКАХ
128
HAHOUBETbl в тефлоновой упаковке
Диоксид углерода (СО2) - это всем известный углекислый газ, образующийся при сгорании углеродного топлива. Но мало кто знаком с так называемым сверхкритическим диоксидом углерода, который отличается совершенно необычными свойствами. С одной стороны, он имеет сравнительно высокую плотность и в этом смысле подобен жидкости; с другой — не имеет свободной фазовой границы, поэтому, подобно газу, заполняет весь предоставленный объем. Более того, как и газы, он является средой, где диффузионные процессы и процессы самоорганизации протекают очень быстро.
В отличие от обычных растворов в жидкостях, растворы веществ в сверхкритическом диоксиде углерода имеют необычные и полезные технологические характеристики. Поэтому неудивительно, что его используют в качестве активной среды в самых различных химических процессах: при синтезе новых материалов, при пропитке пористых и полимерных матриц различными функциональными агентами, при формировании высокостабильных ультратонких покрытий и т. п.
Кроме того, эту среду используют в производстве кристаллических частиц с повышенной степенью дисперсности, т. е. наночастиц. Очень интересным примером в этом смысле служит образование необычных кристаллических наночастиц из дотриаконтана - предельного углеводорода с химической формулой C32H66, способного к спонтанной кристаллизации.
Оказалось, что из диспергированного в сверхкритическом диоксиде углерода расплава высокочистого дотриаконтана при быстром охлаждении формируются очень мелкие кристаллические «наноцветы». С другой стороны, было известно, что помещенные в раствор сверхкритического диоксида углерода частицы тефлона сами не растворяются, но могут стабилизировать капли расплава парафина. Этот процесс - эмульсификация по механизму Пикеринга - позволяет сформировать в растворе монодисперсные капли одинакового размера. При последующем же быстром охлаждении получаются отвердевшие капли парафина, покрытые тефлоновой оболочкой. Их ядро имеет аморфную структуру, поскольку парафин, представляющий собой смесь предельных углеводородов, не способен кристаллизоваться. Но что если вместо парафина взять дотриаконтан?
Действительно, в этом случае удается получить набор одинаковых по размерам композитных частиц, имеющих морфологию сросшихся кристалликов. Таким способом можно формировать частицы фиксированного размера с интересной «морфологией капусты».
Эмульсификация дотриаконтана представляет собой лишь модельную систему, на которой удобно отрабатывать концепцию в целом. Успешные результаты этих исследований позволяют надеяться, что такой подход применим для создания нового класса наночастиц, которые можно будет использовать для создания красителей, систем пролонгированной доставки, катализаторов и во многих других технологических целях.
129
Д. ф.-м. н. М. О. Галлямов (физический факультет Московского
государственного университета им.М. В. Ломоносова) © М. О. Галлямов, 2013
НАУКА В КАРТИНКАХ
На фотографии - срез иглы гребенчатого дикобраза. Отчетливо видна сложная поддерживающая система, которая обеспечивает прочность иглы по всей ее длине. Просвечивающая электронная микроскопия.
Фото М. Халси, К. Харфманн
130
Внутри иглы дикобраза
Гребенчатый, хохлатый или африканский дикобраз (Hystrix cristata), обычно называемый просто дикобразом, - типичный и наиболее известный представитель удивительного семейства дикобразовых. Этот приземистый грызун имеет внушительные размеры, а его вес может достигать 15—20 кг. Отличительная особенность гребенчатого дикобраза -грива из обращенных к хвосту очень длинных, изогнутых и твердых щетин, которые животное может произвольно поднимать и опускать. Остальная верхняя часть тела покрыта сидящими близко друг к другу заостренными иглами разной длины, вплоть до полуметровых.
Эти иглы - главное оружие дикобраза. Если неожиданно захватить животное врасплох, оно начинает топать ногами, грозно выпрямлять голову, топорщить иглы угрожающим ирокезом и трясти ими, издавая немалый шум. Несмотря на бытующие легенды, дикобразы никогда не «стреляют» своими длинными жесткими иглами. Однако последние держатся в коже непрочно: как у человека выпадают волосы, так и дикобраз теряет множество своих иголок. В Африке местное население использует жесткие пестрые иглы дикобраза для самых разных нужд, в том числе для изготовления украшений.
Исчезновение гребенчатому дикобразу пока не грозит, однако он внесен в Международную Красную Книгу, в раздел видов, находящихся под наименьшей угрозой исчезновения.
О структуре и физических свойствах игл дикобраза сегодня мало что известно. Поэтому несколько экземпляров игл гребенчатого дикобраза из Танзании были исследованы на факультете инженерной биологии Университета Клемсона (США).
Ученых в первую очередь интересовали структурные характеристики игл, определяющие их механические свойства. Казалось удивительным, что при плотном внешнем «панцире» иглы дикобразов обладают высокой подвижностью. Исследование, сделанное с помощью электронной микроскопии, показало, что каркас игл состоит из продольных перегородок, проходящих по всей длине иглы и сходящихся в ее центре. Поэтому на разрезе иглы выглядят похожими на велосипедное колесо со спицами. Между перегородками в игле располагается ячеистый материал.
Исследователи предполагают, что именно благодаря такой структуре иглы дикобраза сочетают высокую механическую прочность и подвижность. Не исключено, что дальнейшиее изучение этих удивительных природных образований позволит найти им неожиданные практические применения.
Д. Дин, Д. Дежарден (Университет Клемсона, США), М. Халси (Медицинская школа Университета Южной Каролины, США), К. Харфманн (Университет Джона Хопкинса, США), А. Дикс, Т. Янгман (Университет Клемсона, США)
131
© К. Harfmann, М. Halsey, 2013
