Простая губка из люффы — отличный инструмент для очищения кожи в ванной. Высушенные волокнистые скелеты плодов рода Luffa становятся жёсткими и прочными в сухом состоянии, гибкими — во влажном, и быстро сохнут, что помогает контролировать рост плесени.
Новое исследование показывает, что материалы, вдохновлённые люффой, могут быть столь же полезны вне душа.
Химики разработали метод создания в лаборатории синтетической мембраны, похожей на губку из люффы. Материал достаточно тонок, чтобы фильтровать бактерии и вирусы из жидкости, и достаточно лёгок и прочен, чтобы использоваться в различных устройствах.
«Мы разработали лёгкий, но механически прочный пористый полимер, который напоминает волокнистую сеть натуральной губки из люффы», — говорит доцент Ёшимитсу Ито из отдела химии и биотехнологии Токийского университета, Япония.
«Хотя мы не ставили целью создать что-то с таким внешним видом, это стало приятной неожиданностью. Подобные полимерные материалы уже существуют в природе, но мы хотели создать нечто синтетическое, чтобы иметь возможность контролировать его свойства и придавать ему различные полезные функции».
По словам Ито, одним из недостатков лёгких полимеров является их механическая слабость: «Они, как правило, очень мягкие. Наш полимер имеет низкую плотность — всего полграмма материала на кубический сантиметр, — но при этом обладает жёсткостью в 11 гигапаскалей. Для сравнения, это примерно в четыре раза прочнее обычного полимера. Это означает, что его можно использовать для создания устройств, где важна прочность, не прибегая к более плотным, тяжёлым и менее экологичным материалам».
Эксперименты
Эксперименты с водой, пропускаемой через образец мембраны, позволили исследователям оценить пористость материала, а также его механические свойства при намокании. Поры имеют размер около 70 нанометров, что достаточно мало для фильтрации бактерий и вирусов.
Ито добавляет, что производство материала очень дешёвое и простое.
Для изготовления используются чистая вода и смесь депротонированного резорцинола и альдегида. При подаче напряжения на жидкость депротонированный резорцинол и альдегид спонтанно реагируют, образуя тонкий слой губкообразной, сшитой мембраны.
Обработка полимера кислой водой делает его более жёстким, а щелочной — менее жёстким. Это свойство можно использовать, чтобы сделать часть материала более или менее пористой.
«Одним из больших преимуществ этой мембраны является то, что в ней нет необходимости в постобработке», — говорит Ито. «Обычно тонкие плёнки изготавливают путём сначала синтеза объёмного полимера, а затем его обработки в плёнку. Наш метод может напрямую придать продукту форму тонкой плёнки и в принципе применим для рулонной обработки».
Авторы исследования, опубликованного в журнале Science, пишут, что также удалось создать тонкую пористую углеродную мембрану, нагрев материал до 1 020 °C в вакууме.
«Тонкие углеродные мембраны желательны для многих применений; в частности, они играют важную роль в современной электронике, такой как носимые устройства, биосенсоры и суперконденсаторы, которые используют их потенциальную высокую гибкость, низкоэнергетическую проницаемость и высокую электронную проводимость», — отмечают авторы.
Ито говорит, что материал может найти множество применений, но добавляет, что «есть ещё много шагов, которые необходимо предпринять, прежде чем рассматривать возможность промышленного внедрения».