Крошечные реконфигурируемые роботы могут помочь регулировать уровень углекислого газа в ограниченном пространстве
В условиях экстремальной изоляции, таких как космические миссии, подводные экспедиции или герметичные убежища, поддержание пригодного для дыхания воздуха является критической задачей. Ключевым элементом здесь выступают системы контроля уровня углекислого газа (CO2), которые не только поглощают этот газ, но и позволяют его безопасное выделение. Традиционные технологии, основанные на адсорбентах вроде цеолитов или активированного угля, требуют значительных энергетических затрат: для регенерации материалов необходимо нагревание до температур 100–200°C, что увеличивает потребление энергии и снижает эффективность в условиях ограниченных ресурсов. Это побуждает инженеров и ученых искать инновационные решения, способные работать при более низких температурах и с минимальным энергопотреблением.
Исследователи из Университета Гуанси (Китай) под руководством Вэй Лу и Римей Чен разработали революционную систему на основе реконфигурируемых микро- и нанороботов, способных обратимо улавливать CO2 при температурах, значительно ниже стандартных. Их работа, опубликованная в престижном журнале Nano-Micro Letters, демонстрирует потенциал для применения в системах жизнеобеспечения замкнутых пространств, таких как космические корабли, подводные лодки и аварийные убежища. В экспериментах с мышами роботы увеличили время выживания в герметичных контейнерах на 54,61%, что открывает путь к более устойчивым
Дизайн и компоненты роботов.
Эти миниатюрные роботы представляют собой гибридные конструкции, сочетающие наночастицы и молекулярные элементы, которые позволяют динамически изменять форму и функциональность в зависимости от внешних условий. Основные компоненты включают:
Молекулярные охотники за CO2: Специализированные молекулы, химически связывающиеся с CO2, образуя стабильные соединения, такие как карбаминовая кислота и бикарбонат аммония. В состоянии "расширения" (когда робот не активирован) они способны поглощать до 6,19 ммоль/г CO2, что сравнимо с эффективностью лучших современных адсорбентов, но без необходимости высоких температур для активации.
Термочувствительный молекулярный переключатель: Основано на полимере Pluronic F127, который при нагреве сворачивается, вызывая "скручивание" молекулярных цепей. Это изменяет конфигурацию робота на наноуровне, способствуя десорбции CO2. Переключатель реагирует на температуру, позволяя контролируемое выделение газа при относительно низких значениях — всего 55°C, что на 45–145°C ниже, чем в традиционных системах. Это достигается благодаря фототермическому преобразованию, где солнечный свет или другой источник энергии преобразуется в тепло локально, без перегрева всей системы.
Солнечный фототермический преобразователь: Интегрированный элемент, который поглощает солнечное излучение и преобразует его в тепло для активации переключателя. Это делает систему частично автономной, снижая зависимость от внешних источников энергии и повышая энергоэффективность.
Двигатель с магнитным приводом: Позволяет роботу перемещаться и реконфигурироваться под действием внешних магнитных полей. Это обеспечивает бесконтактное управление, предотвращая локальный перегрев и позволяя оптимизировать распределение роботов в пространстве. Магнитный привод также способствует электростатическим изменениям, которые усиливают избирательность улавливания CO2, снижая вероятность побочных реакций, таких как образование трудноразлагаемой мочевины.
Механизм работы основан на взаимосвязи хиральности (асимметрии молекулярных структур) и электростатических свойств. При реконфигурации робот изменяет микроокружение аминогрупп, увеличивая их поверхностный электростатический потенциал и снижая энергию на самой низкой незанятой молекулярной орбитали (LUMO). Это ослабляет нуклеофильные взаимодействия, подавляя побочные реакции и обеспечивая чистую десорбцию CO2. Авторы отмечают, что такое сочетание создает "инновационную парадигму" для микро- и наноразмерных устройств, интегрируя экспериментальные и теоретические подходы.
Экспериментальные результаты и тестирование.
Команда протестировала роботов в контролируемых условиях, помещая их в герметичный контейнер с мышами. В отсутствие роботов уровень CO2 быстро поднимался, приводя к удушью, но с роботами время выживания увеличилось на более чем половину. Это не только подтверждает эффективность технологии, но и демонстрирует ее безопасность для биологических систем. Исследователи подчеркивают, что роботы могут быть адаптированы для различных сред: от космических кораблей, где вес и энергия ограничены, до подводных лодок, где важно минимизировать шум и вибрацию.
Потенциал и будущие перспективы.
Эта разработка имеет широкие применения. В космосе она может улучшить системы жизнеобеспечения для дальних миссий, таких как полеты на Марс, снижая энергозатраты на борту. На Земле роботы могут использоваться в экстремальных условиях, например, в шахтах или аварийных убежищах, где традиционные системы неэффективны. Кроме того, технология способствует "зеленым" инновациям, уменьшая зависимость от энергоемких процессов и способствуя устойчивому управлению выбросами CO2 в промышленности.
Авторы планируют дальнейшие исследования: тестирование в реальных космических симуляторах, оптимизацию масштабируемости и интеграцию с другими нанотехнологиями. Они также отмечают необходимость изучения долгосрочной стабильности роботов и их взаимодействия с другими газами в воздухе. В целом, эта работа подчеркивает роль междисциплинарного подхода — сочетания химии, материаловедения, инженерии и биологии — в решении глобальных вызовов, таких как освоение космоса и борьба с изменением климата. Исследование не только повышает шансы на выживание в экстремальных условиях, но и открывает новые горизонты для энергоэффективных технологий.
