Искусственные мышцы.

Пленки и гранулы некоторых полимерных гелей способны менять свои размеры в зависимости от состава среды в которой они находятся. Интерес к этому явлению возник после начала в 1939 году российским биохимиком В.А. Энгельгардтом и его сотрудниками работ по изучению явлений преобразования химической энергии в механическую биологическими структурами. Новое направление получило название “механохимии”. В 1949 году В. Кун и А. Качальский синтезировали полимерные материалы, проявляющие в гелеообразном состоянии обратимую деформацию при изменении рН окружающего раствора. Это были умеренно сшитые синтетические полимерные катиониты на основе полиакриловой и полиметакриловой кислот. Сильно набухая в воде эти материалы, при помещении в щелочной раствор удлинялись на 20%, а при помещении в кислый раствор сокращались на 20% от их первоначальной длины [ W. Kuhn. Experimentia, №5, 318, 1949; A. Katchalsky. Experimentia, №5, 319, 1949].

В кислой среде гибкие молекулы полиакриловой кислоты свернуты в клубки. При снижении концентрации водородных ионов, содержащиеся в полимерных молекулах карбоксильные группы начинают отщеплять ионы водорода. Возникающие при этом отрицательно заряженные участки, взаимно отталкиваясь распрямляют молекулы, что приводит к удлинению плёнки. Этот процесс получает максимальное развитие в щелочной среде.

Гелеобразные пленки и нити из этих материалов, получившие название искусственных рН-мышц, оказались достаточно прочны и развивали усилия до 5 кГ/см². Значительный интерес представляет то, что химическая энергия реакции нейтрализации при этом не переходит в другие виды энергии, например, внутреннюю или электрическую, а непосредственно превращается в механическую. В этом принципиальное отличие pH-мышц от двигателей внутреннего сгорания, в которых химическая энергия горючего переходит во внутреннюю энергию продуктов сгорания, а из неё в механическую энергию поршня.

Примеры гелей проявляющих механохимические свойства [Мори М. Кобунси, т.13, с. 301-305.]:

1. Полиакриловая кислота, поливиниловый спирт.

2. Полиакриловая кислота, глицерин.

3. Метакриловая кислота, дивинилбензол.

4. Полиметакриловая кислота, поливиниловый спирт.

5. Винилацетат, малеиновый ангидрид, поливиниловый спирт.

6. Поливинилфосфат.

До сих пор значительный интерес представляют и коллагеновые волокна выделяемые препарированием из сухожилий животных. Они отличаются высокой степенью сократимости (до 50% начальной длины) и значительными развиваемыми при этом усилиями (до 200 кг/ см²). Сократительные свойства коллагеновых структур связаны с конформационными преобразованиями молекул и надмолекулярных структур коллагенового волокна по типу фазовых переходов, вызываемых взаимодействием ионов солей с коллагеном [Беляков Р.В, Сократительные полимерные гели и механохимия. Композиционные полимерные материалы, 1988, №3. С.9-14].

Построен ряд демонстрационных устройств, в которых работают pH-мышцы.

Мышечный мотор Качальского, [Жерарден Л. Бионика. Пер. с фр. -М.: Мир, 1971. -С.224].

Механохимическая турбина Мартина Суссмана из университета Тафта (США). [Двигатель, работающий на солёной воде. Наука и жизнь, 1974, №1. С.152].

Рабочим телом в ней служит волокно коллагена, которое удлиняется в пресной воде и сокращается в растворе бромида или хлорида лития (может использоваться даже морская вода). Попадая в раствор соли и сжимаясь коллагеновое волокно поворачивает валы, после чего возвращается в пресную воду, где удлиняется до первоначального размера. Движение осуществляется до тех пор. Пока концентрации солей в обоих растворах не выравняются.

По словам японского исследователя искусственных мышц М. Мори, нынешнее состояние механохимических систем по сопоставлению с разработкой парового механизма находится на самой начальной ступени, соответствующей подъёму крышки чайника под давлением пара. Однако прогноз в отношении практического использования таких систем вполне оптимистичен. Они, например, могут применяться на химических производствах в автоматических клапанах для простой регулировки pH [Японская заявка №36-47811] или в pH-метрах, действующих за счёт изменения длины полосок геля [Японская заявка №36-47809 и №36-47810],

Дата добавления: 2015-10-29