Ученые создали супермолекулярную липучку

Для склеивания двух предметов их поверхности должны быть сухими. Но склеивание, или адгезия, говоря языком физики, под водой или мокрых предметов – это не простая задача. В журнале «Angewandte Chemie» корейские ученые, используя совершенно новую концепцию, добились обратимой подводной адгезии с помощью супермолекулярной липучки.

Первоначально исследователи пытались подражать природе и использовать клей, аналогичный по молекулярному составу тому, который используют мидии. Такие вещества хорошо прилипают во влажной среде, но адгезия не является обратимой. Учитывая это, команда во главе с Кимун Ким (Kimoon Kim) из Университета науки и технологии города Поханг (Pohang) Южной Кореи пошла другим путем: она отошла от натуральных моделей и достигла обратимой подводной адгезии.

Основной проблемой осуществления адгезии под водой является необходимость удаления молекул воды между склеиваемыми поверхностями и клеем, для того чтобы обеспечить протекание необходимых химических реакций. Но новый подход в решении этой задачи позволил преодолеть возникавшие трудности. Ким и его коллеги использовали идею взаимодействия по принципу «гость – хозяин». (Примечание переводчика: в России это соответствует понятию «папа – мама») При этом сцепление обеспечивалось за счет взаимодействия водорастворимой молекулы хозяина с гидрофобным карманом и ионной молекулы гостя с гидрофобным блоком. В результате, образовывались надежные не ковалентные связи в воде. Фактически, отталкивание молекул воды было движущей силой для создания связей, опосредованных ионно-дипольных и гидрофобных взаимодействий.

Ученые выбрали кукурбит[7] урила (cucurbit[7] uril) в качестве хозяина и аминометилферроцен (aminomethylferrocene) в качестве гостя. Кукурбит[n] урила (n = 5, 6, 7, 8 и 10) является макроциклами (macrocycles) – большими кольцеобразными молекулами, состоящими из нескольких единиц глюколурила (glycoluril), которые могут связывать другие молекулы в пределах их полостей.

Название «кукурбит» происходит от латинского названия тыквы – «cucurbit», и выбрано было из-за того, что молекулы кукурбита урила по форме похожи на тыкву. Ферроцены известны как сэндвич-соединения. При этом роль хлеба в таком бутерброде выполняют два ароматических кольца из пяти атомов углерода, а «начинкой» является один атом железа, находящийся в середине. Ферроцен надежно и специфическим образом вставляется в «тыкву» образованную семью единицами глюколурила.

Исследователи изготовили несколько полосок кремния с большим количеством «тыкв» на них, а также несколько — с «сэндвичами». Когда эти полоски входят в контакт друг с другом, то они прилипают друг к другу, как липучка. При этом кусочек размером 1 см х 1 см, находясь в воде, может удерживать вес в 2 кг. После сушки на воздухе сила сцепления возрастает до 4 кг — это больше, чем обеспечивает обычная двусторонняя липкая лента.

Так же как и обычная макроскопическая липучка, разработанная молекулярная липучка может быть отделена с применением силы, и потом использоваться повторно несколько раз. Интересно, что склеивание можно «отменить» химически раствором хипохлорита (hypochlorite solution), который окисляет атомы железа, и снова восстановить с помощью такого агента, как аскорбиновая кислота, после чего липучкой можно снова пользоваться.

Поскольку вещества липучки совместимы с биологическими материалами, возможно применение этих технологий склеивания для «ремонта» живых тканей, например в хирургии — для создания швов или в косметологии для эпиляции, хотя лазерная эпиляция стала более популярна. В то же время использование в медицине клеящих составов подобных используемых мидиями, требует сильных окислителей, что исключается в новой технологии с применением молекулярных липучек.