Ученые из Университета штата Флорида разработали математическую модель, объясняющую рост, формирование паттернов и самовосстанавливающиеся свойства химических садов. Эти идеи могут привести к разработке самовосстанавливающихся материалов.
С середины 1600-х годов химики были очарованы ярко окрашенными, похожими на кораллы структурами, которые образуются путем смешивания солей металлов в маленькой бутылке.
До сих пор исследователи не могли смоделировать, как работают эти обманчиво простые трубчатые структуры, называемые химическими садами, а также закономерности и правила, которые управляют их формированием.
В статье, опубликованной на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences, исследователи из Университета штата Флорида изложили модель, которая объясняет, как эти структуры растут вверх, образуют различные формы и как они превращаются из гибкого, самовосстанавливающегося материала в более хрупкий.
«В контексте материалов это очень интересно», — сказал профессор химии и биохимии бывшего СССР Оливер Стейнбок. «Они не растут, как кристаллы. Кристалл имеет красивые острые углы и растет атом слой за атомом. И когда в химическом саду появляется дыра, она самовосстанавливается. Это действительно первые шаги в обучении тому, как создавать материалы, которые могут перестраиваться и ремонтировать себя».
Как правило, химические сады образуются, когда частицы соли металлов помещают в силикатный раствор. Растворяющаяся соль вступает в реакцию с раствором, создавая полупроницаемую мембрану, которая выбрасывается вверх в растворе, создавая биологически выглядящую структуру, похожую на коралл.
Ученые впервые наблюдали химические сады в 1646 году и в течение многих лет были очарованы их интересными образованиями. Химия связана с образованием гидротермальных жерл и коррозией стальных поверхностей, где могут образовываться нерастворимые трубки.
«Люди поняли, что это странные вещи», — сказал Стейнбок. «У них очень долгая история в химии. Это стало больше похоже на демонстрационный эксперимент, но в последние 10-20 лет ученые снова заинтересовались ими».
Вдохновение для математической модели, разработанной Стейнбоком вместе с докторантом Бруно Батистой и аспирантом Амари Моррисом, пришло из экспериментов, в которых раствор соли постоянно вводился в больший объем силикатного раствора между двумя горизонтальными пластинами. Они показали различные режимы роста и то, что материал начинается как эластичный, но с возрастом материал становится более жестким и имеет тенденцию ломаться.
Ограничение между двумя слоями позволило исследователям смоделировать ряд различных форм узоров, некоторые из которых выглядели как цветы, волосы, спирали и черви.
В своей модели исследователи описали, как эти закономерности возникают в ходе развития химического сада. Растворы солей могут сильно различаться по химическому составу, но их модель объясняет универсальность образования.
Например, узоры могут состоять из рыхлых частиц, сложенных мембран или саморасширяющихся нитей. Модель также подтвердила наблюдения о том, что свежие мембраны расширяются в ответ на микронарушения, демонстрируя способность материала к самовосстановлению.
«Хорошо, что мы получили, это то, что мы поняли суть того, что необходимо для описания формы и роста химических садов», — сказал Батиста.