Колебательные полимеры

Искусственный полимер можно заставить периодически расширяться и сокращаться с помощью автоколебательной химической реакции.

Японский исследователь Такахиро Ямагучи из Института исследования наносистем при токийском Национальном институте технических наук (Nanosystem Research Institute National Institute of Advanced Industrial Science and Technology - AIST) разработал биополимерный материал, который способен ритмично сокращаться за счет протекающих в нем автоколебательных химических реакций. Главная особенность таких реакций в циклическом изменении параметров: например, с течением времени цвет раствора может становиться периодически то синим, то красным. Точно так же могут меняться температура, концентрация веществ и т. д.

Первая реакция такого рода была открыта в 1951 году советским биохимиком Борисом Белоусовым, наблюдавшим циклическое изменение окраски при окислении лимонной кислоты броматом калия, с ионами церия в качестве катализатора реакции. Ионы церия периодически окислялись и восстанавливались, из-за чего реакционная смесь меняла цвет. Механизм процесса и его математическая модель спустя десять лет были описаны Анатолием Жаботинским.

Впоследствии были найдены и другие реакции, чьи параметры периодически менялись из-за собственных, внутренних процессов химической системы. Все они объединяются под общим названием реакции Белоусова-Жаботинского. Химические автоколебательные процессы стали одним из самых популярных объектов исследования: с их помощью можно было изучать поведение сложных колебательных процессов, которые можно найти и в химии, и в физике, и в биологии. Результаты Такахиро Ямагучи – пример того, как химические автоколебания можно приспособить для решения не только фундаментальных, но и практических задач.

Когда мы говорим о ритмических сокращениях, в первую очередь на ум приходят мышцы, однако в этом случае полимерная система сокращается совсем не так, как мышечная ткань. Биополимер сначала равномерно расширяется во все стороны, а затем равномерно сжимается, никакого предпочтения в направлении сокращения, как у мышечных клеток, тут нет. Один цикл занимает несколько секунд, а общая продолжительность сокращений может достигать нескольких суток. «Мотором» служит химический процесс из класса реакций Белоусова-Жаботинского, только в данном случае вследствие реакции вместо изменений цвета или температуры происходят сжимания и расширения материала.

Японский ученый подчеркнул, что основа нового материала и используемые реактивы нетоксичны, а это значит, что такой автоколебательный полимер можно использовать в медицине. Он предполагает, что разработка окажется полезной для разработки микроскопических устройств, так называемых lab-on-chip (микросхемы полного анализа – микроприборы, которые позволяют осуществить один или несколько биохимических процессов на одном чипе площадью несколько квадратных миллиметров). Таким образом, химический процесс, долгое время бывший «досужей забавой» юных химиков (реакция Белоусова-Жаботинского – часто встречающаяся тема на химических олимпиадах и турнирах школьников), может получить реальное практическое применение.

О своей разработке Ямагучи доложил на крупной международной конференции ICENET-2014: «Неустойчивости в возбудимых сетях и возможности управления ими», которая была проведена в МФТИ 28-30 мая 2014 года и была посвящена биофизике сердечной мышцы и других возбудимых тканей.