Създаден е материал, който осветен променя формата си и се разширява 800 пъти

Ваня Милева Последна промяна на 27 август 2026 в 00:00 395 0

хидрогел в петриева паничка

Кредит Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-76133-y
Под въздействието на светлина материалът се е разширил повече от 800 пъти в рамките на 40 секунди и може да бъде програмиран многократно в спирали и хибридни структури.

Малко парче материал стои почти неподвижно в тъмното. Ако обаче се освети с видима светлина, за секунди то започва да се надува с изключителна скорост. Ако се насочи светлината по различен начин, един и същ материал може да се извие в лява спирала или да се обърне в дясна, да се усуче в по-сложни форми или да се изтегли подобно на лиана.

Ако се изключи осветлението, инструкциите изчезват.

Изследователи от Китайския университет за наука и технологии са разработили нов фоточувствителен хидрогел, чиято 3D форма може ефективно да се разширява, променя или дори да се пренаписва в напълно различна конфигурация в зависимост от това къде среща светлината.

В експерименти, докладвани в Nature Communications, материалът се е разширил с повече от 80 000% (801 пъти) в рамките на 40 секунди и може да бъде програмиран многократно в спирали и хибридни структури.

Изследователите също така използват неговото контролирано от светлината движение, за да повдигат предмети и да задвижват миниатюрна ротационна система, насочвайки по този начин към възможни приложения в интелигентните материали и меката роботика.

"Преконфигурирането на движението на автоматизирана ръка в синтетични системи с пространствено-времеви контрол и обратимо поведение остава фундаментално предизвикателство в биоинспирираната роботика и материалознанието", пишат изследователите. "Тук демонстрираме хомогенни фотоактивни хидрогелове, способни на ултрабърза, програмируема промяна на формата на ръката, включително спирали и обрати, чрез пространствено контролирано светлинно осветление."

Възможността за програмиране на материала, след като той вече е бил оформен, прави постижението особено необичайно.

Много материали, променящи формата си, се произвеждат с вече вградено в тях бъдещо поведение. Различни слоеве, насочени влакна, композиционни градиенти и предварително оформени структури определят как те евентуално ще се огънат, извият или усучат. След като бъдат изработени, тези инструкции ще бъде трудно, ако не и невъзможно, да бъдат променени.

Новият хидрогел започва като структурно еднороден материал, като асиметрията, необходима за сложно движение, се създава временно от модела на входящата светлина. Ключът към това е необичайно мощната реакция на подуване.

Изследователите са включили в полимерна мрежа светлочувствителна молекула, наречена спиропиран. Когато е осветена, молекулата претърпява химическа промяна, която променя електрическите взаимодействия между частите на полимера. Привличанията, които обикновено помагат за поддържането на компактността на мрежата, отслабват или стават отблъскващи, което позволява на веригите да се разширят и да абсорбират големи количества вода.

Полученото разширение е драматично. Изследователите са измерили над 80 000% обемен растеж само след 40 секунди облъчване, комбинация от скорост и величина, която според тях надвишава досега съобщените фоточувствителни хидрогелове.

Кредит:  Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-76133-y

И все пак, простото набъбване на хидрогела е само част от експеримента.

Чрез контролиране на това къде попада светлината, екипът успява да накара някои части от материала да се разширяват по-бързо от други. Осветяването на едната страна на тясна лента създава градиент на подуване по цялата ѝ дебелина. Полученото несъответствие в деформацията кара лентата първо да се огъне, а след това да се извие в спирала.

Осветяването на двете страни води до различно вътрешно разпределение на подуването. Вместо да се извива по един и същи начин, лентата се извива и завърта по дължината си, създавайки усукана структура. Тези форми не са заключени. След като светлината бъде премахната, хидрогелът се отпуска и по-късно може да бъде програмиран отново.

Посоката на осветяване може дори да определи "ориентацията" на материала. Светлината, идваща от един ъгъл, може да създаде лява спирала, докато осветяването на същата лента от обратната посока създава дясна, след като материалът се е отпуснал в тъмнината. Изследователите многократно сменят пробите и установяват, че материалът запазва своята реконфигурируемост след повече от 20 последователни цикъла.

По-сложно осветените конструкции водят до още по-странни резултати.

Кредит:  Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-76133-y

Чрез независимо осветяване на отделни области от по-дълга лента, изследователите създават структури, съдържащи множество форми едновременно. Една секция може да образува спирала, докато друга се усуква. Други модели създавали съседни спирали с противоположна посока или комбинации спирала-усукване-спирала, създавайки форми, напомнящи спираловидните пипала, които растенията използват, за да се увиват около скелет.

Тази способност за пренаписване на геометрията на материала се превръща и в механична продукция.

В една демонстрация, лента от 6 мг се извива в пружина, способна да повдигне полезен товар от 50 мг или повече от осем пъти собственото си тегло. Изследователите също така създават подводен превключвател, управляван от светлина, в който хидрогелът преместват два проводника в контакт, както и задвижващ механизъм, подобен на пипала, който  обгражда друг обект.

Най-сложната демонстрация превръща усукващото се движение на хидрогела в движение.

Кредит:  Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-76133-y

Изследователите свързва плаващо витло към хидрогелна лента, която служи като въртящ се вал, с лопатка, прикрепена под водата. Когато светлината кара хидрогела да се усуче, лопатката се завърта и витлото започва едновременно да се върти и да се движи по кръгова траектория. Програмирането на посоката на движение на хидрогела позволило на системата да произвежда движение по часовниковата стрелка или обратно на часовниковата стрелка.

Потенциално, новият хидрогел би могъл да доведе до меки роботи, които променят формата или движението си в зависимост от задачата, светлинно контролирани хващачи, които се увиват около деликатни обекти, или адаптивни компоненти, които се преконфигурират без конвенционални двигатели и механични части.

Подобни хидрогелни материали биха могли евентуално да служат като малки превключватели, клапани, помпи или въртящи се задвижващи механизми в условия, където прокарването на кабели или монтирането на традиционни машини е трудно. Тъй като една и съща конфигурация може да бъде препрограмирана, а не постоянно заключена в едно поведение, това би могло да даде възможност за създаването и на устройства, които изпълняват няколко различни механични функции по различно време.

Засега обаче експериментите остават лабораторни демонстрации. Изследователите казват, че материалът ще се нуждае от по-бързо време за реакция, за да се конкурира с някои други класове меки задвижващи механизми.

По-нататъшни изследвания биха могли да подобрят ефективността на молекулярните фотопревключватели и да препроектират полимерната мрежа, така че водата да може да се движи през нея по-бързо.

И все пак, по-широката концепция предполага различен начин на мислене за програмируемата материя. Вместо да се произвежда материал с един предварително определен набор от движения, неговите инструкции биха могли да пристигнат впоследствие като светлинен модел, след което да изчезнат и да бъдат заменени, когато е необходимо различно поведение.

"Основната иновация на тази работа се крие в постигането на прецизна, обратима регулация на структурната "ръка" в хомогенни хидрогелове единствено чрез външна оптична модулация", пишат изследователите. "Представеният тук принцип на проектиране - обратимо кодиране на пространствено-времево програмируема "ръка" в хомогенна мрежа чрез прости светлинни модели - установява метод за създаване на интелигентни, адаптивни материали с вградена логика и функция."

Справка: Chu, Z., Zhou, Z., Jin, K. et al. Reconfiguring handed shape-morphing and actuation in hydrogels via light-encoded rapid expansion. Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-76133-y

Източник: Scientists Create Material That Can Shapeshift and Expand 80,000% Using Only Light, Tim McMillan, The Debrief

Виж още за:
Най-важното
Всички новини

Още от Технологии

Коментари

За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !