Важнейшая проблема современной технологии (и нанотехнологии, в том числе) – создание искусственных устройств, подражающих действию мышечных волокон, но превосходящих их по физическим свойствам или простоте управления. Ключевой элемент искусственной мышцы – материал, способный резко изменять свои размеры под действием внешних воздействий.
1. Рассчитайте (это будет интересно для сравнения с искусственными мышцами) относительное изменение длины метрового отрезка железной проволоки с диаметром 0.1 мм при изменении температуры от 0 до 50°C. Необходимые справочные данные найдите самостоятельно? (2 балла)
Основной недостаток большинства материалов, изменяющих свои геометрические размеры под действием внешних факторов – в изотропности таких изменений. Искусственные мышцы должны быть способны резко изменять свою длину, по возможности мало изменяя размеры по другим измерениям. Перспективными материалами являются полимеры, чья способность к волокнообразованию происходит от цепного строения (аниизотропных) макромолекул. Большой интерес в последнее время привлекают полимеры на основе ротаксанов (что это за класс соединений? 1 балл).
Синтез одной из подобных молекул описан ниже. Вначале синтезируется мономер М. При рассмотрении схемы учтите, что:
-
THP – защитная группа, снимаемая в кислой среде
-
в структуре А2 имеется ароматическое кольцо и две кратные связи углерод-углерод
-
Red – реагент, позволяющий мягко восстановить сложноэфирную группу до альдегидной
-
Met – катализатор реакции метатезиса
-
схематически структуру предмономера M’ можно представить как приведено на рис. 1, на котором волнистыми линиями показаны гибкие структурные фрагменты, а прямыми – жесткие. При ответе на дальнейшие вопросы можно использовать именно такое схематическое представление.
-
Мономер М построен из двух идентичных фрагментов, не связанных ковалентными связями.
2. Определите структуры соединений A1, A2, A4, M', M (рис. 2). (4 балла)
3. Мономер М реагирует на изменение pH раствора, меняя свою конформацию. Схематически изобразите структуру М в кислой и щелочной средах. (1 балл)
Мономер М содержит гидроксильные группы, по которым происходит его конденсация в полимерную цепочку. Ее размеры сильно зависят от pH окружающей среды, а значит, волокна, изготовленные из такого полимера, будут при изменении реакции среды удлиняться или укорачиваться, преобразуя химическую энергию в механическую.
4. Будет ли полимерная цепочка укорачиваться или удлиняться при подкислении окружающего раствора, начиная от pH 10? (1 балл)
5. Оцените относительное удлинение полимерной цепочки, исходя из структуры мономера М. (2 балла)
Условия задачи можно скачать в виде файла.
