В MIT научились управлять свойствами пластика с помощью света

Физические свойства полимеров зависят не только от из состава, но и от того, как молекулярные цепочк располагются в пространстве относительно друг друга. Как правило, это расположение остается необратимым после того, как материал изготовлен, и изменить его можно только однажды, одновременно изменив химический состав материала. Никакое воздействие неспособно сделать резину хрупкой и твердой, а затем обратно мягкой и эластичной.

Материал, созданный инженером Юйвеем Гу (Yuwei Gu) из Массачусетского технологического института и его коллегами — первый полимер, способный обратимо менять структуру и физические свойства. В статье, опубликованной в журнале Nature, ученые описывают материал, который обратимо меняет свойства под действием света: под ультрафиолетом он застывает, а облученный зеленой лампой, становится мягким и легкоплавким.

Изменение свойств происходит из-за изменения размеров частиц полимера, состоящих из молекулярных цепочек-лигандов, связанных с атомами палладия. Подобные вещества называются полимерными металлоорганическими координационными соединениями; длинные органические полимерные «хвосты» таких соединений группируются вокруг атомов металлов и образуют геометрические формы, часто они существуют в виде «клеток».

Каждый атом палладия способен образовать четыре химические связи с органическими лигандами; когда и палладия, и полимера много, образуются кластеры с переменным количеством атомов металла. Гу и его коллеги поставили целью стимулировать формирование крупных кластеров с 24 атомами палладия на 48 лигандов, и маленьких — из трех атомов палладия на шесть лигандов. Для управления переходом от одних кластеров к другим ученые добавили вещество DTE, в молекуле которого связь между двумя атомами серы образуется и рвется под воздействием ультрафиолета. В ультрафиолете молекула DTE становится более жесткой и разрывает маленькие кластеры, заставляя палладий-органические цепочки образовывать более крупные кластеры. Обратный процесс происходит, когда под действием зеленого света связь S-S в молекуле DTE разрушается, молекула теряет жесткой и разрешает формирование маленьких кластеров.

Маленькие кластеры делают материал очень мягким, он плавится от легкого нагревания; при этом затягиваются трещины и другие механические повреждения. Пока ученые провели только семь циклов размягчения и затвердевания; после каждого из них в образце накапливаются молекулы, не изменившие размер, и в конце концов образец рассыпается. Но Гу и его коллеги полагают, что им удастся значительно увеличивать количество таких циклов.

Изделия из обратимо размягчаемых пластиков легко перерабатывать и ремонтировать, считает Гу; они могут существенно продлить сроки службы изделий из пластика и помочь решить проблему накопления пластиковых отходов, полагает ученый.