Крайне желанным, но, к сожалению, пока ещё невероятным представляется самосборка нечаянно разбитой ценной вазы или разрушенного в ДТП автомобиля. Пожалуй, ещё более необходимым была бы способность раны самозатягиваться за считанные секунды, восстановление потерянной конечности или повреждённого и уже нежизнеспособного органа.
Проблема восстановления как неорганических, так и биологических структур находит своё отражение в творчестве человечества, начиная от мифов Древней Греции, где за ночь у Прометея вновь отрастает печень, выклеванная орлом в предшествующий день, и продолжая (но не заканчивая) фильмом блистательного режиссера Джеймса Камерона «Терминатор-2», в котором демонстрируется самосборка робота из жидкого металла.
Восстановление денатурированного белка
Известно, что при нагревании белка после определённого температурного предела происходит денатурация – изменения структуры, проводящие к потере его функции. И считалось, что этот процесс является необратимым. Действительно, если вы сварили яйцо, как можно вернуть его в первозданное состояние? Оказывается, что можно. И за работу, доказавшую это, в 2015 году была вручена Шнобелевская (Ig Nobel Prize) премия.
При нахождении яйца в кипящей воде за счёт высокой температуры происходит разрушение химических связей и деформация белка. Он изменяет структуру и теряет свои свойства, превращаясь из жидкого и прозрачного в твёрдый и белый. Американские химики из Калифорнийского университета в Ирвайне сумели обратить процесс денатурации белка вспять и превратить сваренное вкрутую яйцо снова в жидкое состояние.
В эксперименте яйцо варилось в течение 20 минут при температуре 90 °С. После денатурации был добавлен карбамид, а затем яйцо поместили в специальный вихревой аппарат, центрифугу, разработанную учёными Университета Флиндерса (Австралия). В результате белкам удалось вернуть исходную структуру.
Ещё лучше прежнего
Учёные из Национального университета ИТМО в Москве и Еврейского Университета в Иерусалиме продвинулись ещё дальше и в эксперименте впервые показали, что можно не только восстановить структуру денатурированного белка, но даже улучшить его функциональную активность по сравнению с исходной формой. Специалисты назвали данное явление «эффектом Феникса», проведя аналогию с известным мифическим созданием – птицей, которая, воскресая после смерти, становится ещё сильнее.
Добиться такого результата удалось благодаря новому способу ренатурации белков, основанному на смешении денатурированных белковых молекул с коллоидным раствором неорганических наночастиц оксида алюминия. При переходе коллоидного раствора в гель происходит сборка наночастиц. Затем за счёт оказываемого ими механического воздействия начинают сшиваться белки. Причём каждая белковая молекула попадает в индивидуальную пористую оболочку из наночастиц, что препятствует спутыванию белков и обеспечивает им возвращение к исходной пространственной структуре.
При сравнении эффективности белков до денатурации и после ренатурации было обнаружено, что ренатурированные этим способом белки оказались на 180% более функционально активными. Учёные объясняют этот эффект тем, что при реакции восстановления происходит перемещение активного центра белка (который как раз и отвечает за его функцию). Он становится пространственно более доступным для взаимодействия с субстратом, в результате чего скорость реакции увеличивается.
Регенерация платины
В отношении твёрдых металлов никто не испытывал иллюзий о возможности их возвращения к исходному состоянию после разрушения, иначе как переплавкой при высоких температурах. О самовосстановлении потрескавшегося, лопнувшего и расколотого куска металла не могло идти и речи. Однако оказалось, что это возможно. Учёные случайно обнаружили способность металла восстанавливаться без вмешательства человека. И объяснения этому пока не существует.
В 2016 году Халид Хаттар, инженер-ядерщик из Университета Теннесси в Ноксвилле и учёные из Национальной лаборатории Сандиа изучали, как трещины распространяются по наноразмерным кусочкам платины в вакууме. Они использовали особое оборудование, чтобы протыкать металл 200 раз в секунду и через специализированный электронный микроскоп наблюдали, как по его поверхности расползалась паутина трещин. Затем, примерно через 40 минут, повреждения стали исчезать. Исследователи увидели, что трещины срослись, и металл восстановился, как будто на видео, воспроизведённом в обратном порядке. Впервые учёные наблюдали, как твёрдый металл заделывает свои трещины без вмешательства человека, и это бросает вызов фундаментальным теориям материаловедения.
«Мы никогда бы не подумали, что металл способен самозаживлять трещины», – говорит инженер-химик Стэнфордского университета Женань Бао. Согласно традиционной теории материалов, приложение напряжения к растрескавшемуся металлу должно только расширять эти трещины. Новые результаты «безусловно, заставят людей переосмыслить то, как мы предсказываем механическую надёжность металлических конструкций и оборудования», – отмечает Бао.
Перспективы самовосстановления твёрдых тел
Майкл Демкович, учёный из Техасского университета, впервые выдвинул теорию о самовосстановлении металлов за 10 лет до этого эксперимента, когда проведённое им компьютерное моделирование показало, что твёрдые металлы без вмешательства извне могут «сваривать» небольшие трещины на своей поверхности. Поскольку для изменения формы металлу обычно требуются высокие температуры, многие учёные считали, что моделирование ошибочно. Как часто бывает, научный консерватизм не принял во внимание, как позже оказалось, обоснованной и перспективной теории.
«Я думал, что это милая игрушечная модель, но в то время её было очень сложно исследовать экспериментально», – говорит соавтор исследования Халид Хаттар. Но затем он наткнулся на реальные доказательства теории Демковича и пересмотрел свои взгляды. «Майк всё-таки оказался прав», – вспоминает свои мысли Хаттар, после того как увидел всё своими глазами в эксперименте.
Способность к самовосстановлению, по-видимому, возникает, когда края трещины прижимаются достаточно близко друг к другу, чтобы их соответствующие атомы могли склеиться. В определённых «зонах наилучшего восприятия» неровности в аккуратной кристаллической структуре металла смещаются под действием внешнего напряжения – силы, возникающей в результате естественного износа. Когда эти неровности перемещаются, они вызывают сжимающее напряжение, инициирующее эффект восстановления сцепления.
Команда учёных успешно повторила свои наблюдения как с платиной, так и с медью. Компьютерное моделирование предполагает, что алюминий и серебро также должны самовосстанавливаться. Однако исследователи не знают, могут ли такие сплавы, как сталь, выполнять эту задачу. Также неясно, может ли самоисцеление когда-либо стать практическим инструментом за пределами вакуума. По словам команды испытателей, атмосферные частицы внутри трещины могут помешать ей снова слиться. Тем не менее это явление заставит некоторых учёных переосмыслить то, что они знают о металле. «При правильных обстоятельствах, – говорит Демкович, – материалы могут делать то, чего мы никогда не ожидали».
Концепция самовосстанавливающихся металлов – мостов, космических кораблей или роботов, которые могут самовосстанавливаться – теперь может стать немного ближе к реальности. Однако проблему следует рассматривать шире, речь идёт об упорядочивании структур, переходе хаоса в порядок. Несмотря на довлеющую в науке парадигму, которая утверждает, что состояние любой системы стремится к минимизации энергии и переходу к энтропии: чай в чашке остывает, античные здания со временем разрушаются, биологический организм стареет и умирает, существуют процессы самоорганизации материи, когда из хаоса возникает порядок.
Платформа Дзен по определённым причинам меняет алгоритмы показов. Если вы уверены, что подписаны на канал рекомендуется проверить это в связи с возможной автоматической отпиской.
Также материалы по теме «Хаос и порядок. Возможности перехода»:
