О чем видят сны бумажные киборги?
Автор: UlyanaРейтинг: 0 / 5
Кто бы мог подумать, что целлюлоза, та самая, из которой делают бумагу, вату, порох, картон и одежду, из которой наполовину состоит обычное дерево, станет одним из наиболее перспективных материалов для будущих гаджетов, «умных» материалов, бронежилетов и даже вживляемых в мозг электронных устройств?
Люди издавна использовали растительную целлюлозу для своих нужд. Этот полисахарид обладает сложным многоуровневым строением.
Уменьшившись и пройдя по этим уровням из нашего макромира, от растительной клетки по пучкам фибрилл вниз, мы окажемся на границе между объектами классической и квантовой физики. Это мир коллоидной химии и наночастиц. Для целлюлозы такой границей будет микрофибрилла.
Рисунок 1: звенья глюкозы - это элементарные «кирпичики» макромолекулы целлюлозы размером с ангстрем.
Сама макромолекула может содержать тысячи глюкозных (или точнее ангидроглюкозных) звеньев,
а «пачки» таких макромолекул формируют микрофибриллы, объединённые в свою очередь в пучки фибрилл,
выстилающих поверхность растительных клеток вместе с другими биополимерами.
С помощью различных воздействий целлюлозную микрофибриллу, состоящую из соединённых с друг другом, как вагоны в поезде, кристалликов, научились разбивать на единичные кристаллы. Получаемые наночастицы – целлюлозные нанокристаллы – совершенно уникальны по свойствам: они способны к самостоятельной организации наподобие всем известных «жидких кристаллов», а прочность каждой частицы выше стали и кевлара! Вдобавок получаемые из них материалы – плёнки и нити – являются прозрачными, гибкими и, конечно, хорошо совместимыми с человеческим организмом и окружающей средой, ведь это всё та же самая растительная целлюлоза.
В настоящее время нанокристаллы целлюлозы и материалы на их основе тестируются в качестве безопасных наполнителей для пластиков, способных к многократному упрочнению изделий даже при небольших добавках, а также в качестве материалов для медицины, способных к контролируемому выделению лекарственных средств. Предлагается использовать блоки наноцеллюлозных плёнок в качестве защитных элементов бронежилетов нового поколения, пищевых плёнок, абсорбентов, загустителей и для создания основы гибких дисплеев, полупроницаемых мембран-разделителей жидкостей и газов.
Группой исследователей предложены новые ресурсосберегающие способы получения целлюлозных нанокристалов. Из разных произрастающих на территории нашей страны растений - источников целлюлозы (например, из древесной или льняной целлюлоз) могут быть получены частицы разных размеров, а значит обладающие различающимися свойствами и областями применения. Так, нанокристаллы, получаемые из льняной целлюлозы, оказываются более длинными (до 350 нанометров), а их дисперсии более вязкими. Нанокристаллы, получаемые из целлюлозы ели или берёзы, обычно короче и тоньше. А одно из последних наших достижений – получение нанокристаллов целлюлозы не обычной палочкообразной формы, а в виде дисков нанометрового размера и толщины, к тому же способных к самоорганизации под действием различных воздействий.
Рисунок 2: нанокристаллы целлюлозы обладают упорядоченным строением, подобно обычным кристаллам,
но здесь организованную структуру формируют макромолекулы целлюлозы, «упакованные» в надмолекулярные кластеры.
На первой микрофотографии видны стержневидные наночастицы получены группой на основе целлюлозы, выделенной из берёзы.
На второй микрофотографии, полученной с помощью атомно-силовой микроскопии, показаны дисковидные нанокристаллы
Одной из возможных областей применения таких материалов, вероятно, станет создание микроэлектронных устройств, вживляемых в организм человека (средств связи, датчиков и диагностических устройств). По истечении нужного срока такое устройство будет способно бесследно «раствориться», превратившись в природном цикле в обычную глюкозу. А пока разработаны аналитические системы для контроля уровня сахара в крови. Уже сейчас развиваются технологии 3D-печати клеток и органов с использованием целлюлозных наночастиц. Чем не киборги с их фантастическими имплантами для выхода в киберпространство и пока ещё не созданными вживляемыми наномашинами, расширяющими способности человека?
Михаил Торлопов,
сотрудник лаборатории химии растительных полимеров
Нанохимия в Коми научном центре
Torlopov M. A., Martakov I. S. Mikhaylov V. I., Krivoshapkin P. V., Tsvetkov N. V., Sitnikov P. А., Udoratina E. V. Disk-like nanocrystals prepared by solvolysis from regenerated cellulose and colloid properties of their hydrosols // Carbohydrate Polymers 2018. Volume 200, pp 162–172. Doi. 10.1016/j.carbpol.2018.08.002).
Chantal T. Tracey; Mikhail A. Torlopov; Ilia S. Martakov; Ekaterina. A. Vdovichenko; Mikhail Zhukov; Pavel V. Krivoshapkin; Vasily I. Mikhaylov; Elena F. Krivoshapkina Hybrid cellulose nanocrystal/magnetite glucose biosensors // Carbohydrate Polymers, 2020, Vol. 247. DOI: 10.1016/j.carbpol.2020.116704.
