Mokslinis laimėjimas Lenkijoje: kaip paprastas anglies pluoštas gali pakeisti ateities mediciną?

Įsivaizduokite medžiagą, kuri į elektros impulsą reaguoja tarsi gyvas raumuo. Skamba kaip mokslinės fantastikos siužetas, tačiau Lenkijos mokslininkams pavyko parodyti, kad tai visiškai įmanoma. Jų tyrimas susijęs su iš pirmo žvilgsnio įprastais anglies pluoštais, kuriuos paprastai siejame su itin tvirtais kompozitais raketose ar moderniuose dviračiuose.

Šio neįprasto efekto raktas – naujas požiūris į gerai žinomą medžiagą. Vietoj sudėtingų struktūrų kūrimo, Lenkijos mokslų akademijos tyrėjai pasirinko maksimalų paprastumą. Nors kol kas kalbama tik apie laboratorinį eksperimentą, jo pasekmės projektuojant mikroskopinius įrenginius gali būti išties reikšmingos.

Elektra vietoj laidų: paprastas veikimo principas

Visa gudrybė slypi natūraliai nelygiame, šiurkščiame anglies pluošto paviršiuje. Mokslininkai naudojo paprastus, nepadengtus anglies pluoštus ir įmontavo juos į specialią konfigūraciją, vadinamą bipoliniu elementu. Kai sistemai buvo pritaikyta maždaug 2–3 voltų įtampa, jonai iš aplinkinės terpės ėmė skverbtis į medžiagą.

Šis procesas nevyksta tolygiai. Dėl netolygaus mikroporų pasiskirstymo vienoje pluošto pusėje vyrauja oksidacija, o kitoje – redukcija. Būtent toks asimetriškas jonų įsiskverbimas sukuria vidinius įtempimus, dėl kurių pluoštas ima linkti.

Maksimalus užfiksuotas pluošto nuokrypis siekė apie 0,55 milimetro esant 3 voltų įtampai. Kai įtampa atjungiama, jonai palieka medžiagą, o pluoštas vėl ištiesėja ir grįžta į pradinę formą. Šis procesas yra visiškai grįžtamas ir gali būti daugybę kartų kartojamas, kas yra būtina sąlyga praktiniam pritaikymui.

Belaitės mikropincetės: praktinis demonstravimas

Vienas įdomiausių šio atradimo aspektų – tai, kad pluoštas neturi būti fiziškai sujungtas laidais su srovės šaltiniu. Kaip aiškina tyrėjų grupės narys Wojciechas Nogala, „uždarytas bipolinis elementas leidžia vienu metu vykti reakcijoms abiejuose pluošto galuose, todėl galima belaidė aktyvacija“.

Mokslininkai tuo neapsiribojo ir sukūrė veikiantį prototipą. Panaudoję du lygiagrečiai, priešingomis kryptimis orientuotus pluoštus, jie suformavo mikroskopines pincetes. Tiksliai valdydami įtampos impulso trukmę ir stiprį, tyrėjai galėjo daug kartų atverti ir užverti šiuos miniatiūrinius griebtuvus.

Tai įrodo, kad paprasti, pramoniniu būdu gaminami anglies pluoštai gali veikti kaip mikroskopiniai pavaros elementai (aktuatoriai) be sudėtingo papildomo apdorojimo. Toks sprendimas atveria kelią paprastesnei ir pigesnei tokių sistemų gamybai.

Nuot nuo idėjos iki taikymo: potencialas ir iššūkiai

Tyrimas, paskelbtas žurnale „Nature Communications“, kol kas yra koncepcijos patvirtinimas. Vis dėlto jo reikšmė gali būti labai plati. Tokie „išmanieji“ pluoštai galėtų būti naudojami kaip sintetiniai mikrorobotų „raumenys“, mikroelektromechaninių sistemų dalys arba itin tikslūs įrankiai manipuliavimui mikromasteliu.

Medicinoje galima įsivaizduoti miniatiūrinius chirurginius instrumentus, veikiančius kraujagyslių viduje, o inžinerijoje – jautrius manipuliatorius, skirtus montuoti mikroskopinius elektronikos komponentus. Panaudojimo galimybės iš esmės ribojamos tik inžinierių vaizduotės.

Vis dėlto būtina išlikti realistams. Kelias nuo laboratorinio eksperimento iki patikimo, serijiniu būdu gaminamo produkto paprastai būna ilgas ir kupinas techninių iššūkių. Nepaisant to, lenkų komanda parodė labai svarbų dalyką: kartais proveržis slypi ne sudėtingume, o maksimalioje paprasto sprendimo išnaudojimo galimybėje. Protingai panaudojus natūralias turimų medžiagų savybes, ateityje gali atsirasti nauja mikroskopinių prietaisų karta, veikianti ląstelių ir audinių pasaulyje.