Ученые создали новый класс материалов, меняющих форму под воздействием электрического заряда

Схема конформаций суперскрученных лент в зависимости от электрического заряда. Автор: Роман Станьо

Физики из Венского университета и Эдинбургского университета обнаружили, что даже небольшие изменения pH (и, соответственно, электрического заряда) могут изменять пространственную организацию замкнутых кольцеобразных полимеров (молекулярных цепей). Это происходит за счет изменения баланса между двумя типами деформации — «скручиванием» (twist) и «извиванием» (writhe).

Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, демонстрирует, как электрический заряд можно использовать для обратимой и контролируемой перестройки полимеров. Это открывает новые возможности для создания программируемых адаптивных материалов.

Представьте ленту, скрученную в половину оборота перед соединением концов — так получается знаменитая лента Мёбиуса. Если добавить больше скручиваний, структура становится «суперскрученной». Подобные формы распространены в биологии, например, в кольцевой ДНК и синтетических полимерах.

От извивания к скручиванию

Ученые использовали компьютерное моделирование и аналитическую теорию, чтобы изучить влияние заряда на конформацию суперскрученных полимеров. В их модели каждый мономер действует как слабая кислота, приобретая или теряя заряд в зависимости от pH окружающего раствора.

Результаты показали: нейтральные полимеры принимают компактные формы с преобладанием извивания. При увеличении заряда электростатическое отталкивание заставляет молекулу вытягиваться, смещая баланс в сторону скручивания. При высоком уровне суперскручивания полимер может разделяться на домены с разной топологией — ранее такое поведение не наблюдалось.

«Регулируя локальный заряд, мы можем смещать баланс между скручиванием и извиванием — это дает нам контроль над формой всей молекулы», — объясняет ведущий автор исследования Роман Станьо.

Топология как инструмент дизайна

Идея управления не только структурой, но и топологией молекулы открывает новые пути создания адаптивных систем. Команда предполагает, что синтетические кольца ДНК с pH-чувствительными боковыми цепями могли бы демонстрировать подобное программируемое поведение.

Способность обратимо переключаться между состояниями предлагает мощную стратегию для разработки «умных» материалов. Такие полимеры могут найти применение в микрофлюидных устройствах, где локальные изменения pH будут запускать контролируемые изменения формы.

«Удивительно, что переход от компактных к вытянутым формам происходит постепенно, управляется pH и не требует изменения топологии молекулы», — отмечает соавтор Христос Ликос.

Исследование также показывает, как функциональность можно кодировать не только химическим составом, но и топологическим состоянием, что указывает путь к новому поколению адаптивных материалов.

Дополнительная информация: Roman Staňo et al, Topology-Controlled Microphase Separation and Interconversion of Twist and Writhe Domains in Supercoiled Annealed Polyelectrolytes, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/7fh5-frst