Примеры химических садов, созданных в лаборатории Оливера Стейнбока, профессора химии Университета штата Флорида. Предоставлено: Университет штата Флорида.
Государственный университет Флориды Ученые разработали математическую модель, объясняющую рост, формирование узоров и свойства самовосстановления химических садов. Эти идеи могут привести к разработке самовосстанавливающихся материалов.
С середины 1600-х годов химики были очарованы ярко окрашенными коралловыми структурами, которые образуются при смешивании солей металлов в маленькой бутылочке.
До сих пор исследователи не могли смоделировать, как работают эти обманчиво простые трубчатые структуры, называемые химическими садами, а также модели и правила, управляющие их формированием.
В статье, опубликованной на этой неделе в Труды Национальной академии наукИсследователи из Университета штата Флорида представили модель, которая объясняет, как эти структуры растут вверх, формируют 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 Советского Союза Оливер Стейнбок. «Они не растут как кристаллы. Кристалл имеет красивые острые углы и растет атом слой за атомным слоем. А когда в химическом саду появляется дыра, она самозалечивается. Это действительно первые шаги в изучении того, как создавать материалы, которые могут перестраиваться и восстанавливаться».
Как правило, химические сады образуются, когда частицы соли металла помещают в силикатный раствор. Растворяющаяся соль вступает в реакцию с раствором, образуя полупроницаемую мембрану, которая выбрасывается вверх в растворе, создавая биологическую структуру, похожую на коралл.
Ученые впервые наблюдали химические сады в 1646 году и долгие годы были очарованы их интересными образованиями. Химия связана с образованием гидротермальных источников 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 ими снова заинтересовались ученые».
Вдохновение для математической модели, разработанной Стейнбоком вместе с исследователем с докторской степенью Бруно Батистой и аспирантом Амари Моррис, 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 сначала растягивается, но по мере старения материал становится более жестким и имеет тенденцию к разрыву.
Заключение между двумя слоями позволило исследователям смоделировать ряд различных форм, некоторые из которых выглядели как цветы, волосы, спирали и черви.
В своей модели исследователи описали, как эти закономерности появляются в ходе развития химического сада. Солевые растворы могут сильно различаться по химическому составу, но их модель объясняет универсальность образования.
Например, узоры могут состоять из рыхлых частиц, складчатых мембран или саморастяжающихся нитей. Модель также подтвердила наблюдения, что свежие мембраны расширяются в ответ на микроразрывы, демонстрируя способность материала к самовосстановлению.
«Хорошая вещь, которую мы получили, это то, что мы поняли суть того, что необходимо для описания формы и роста химических садов», — сказал Батиста.
Ссылка: «Выбор шаблона по старению материала: моделирование химических садов в двух и трех измерениях», Бруно С. Батиста, Амари З. Моррис и Оливер Стейнбок, 3 июля 2023 г., Труды Национальной академии наук.
DOI: 10.1073/pnas.2305172120
Эта работа была поддержана НАСА и Национальный научный фонд.