Умные мембраны

— Хотя самоадаптивные умные мембраны широко распространены в природе, интеграция присущих им биологических функций в искусственные мембраны еще на начальном уровне разработки. Примеры функций, которые могут быть интересны, включают, но не ограничиваются самовосстановлением и самовоспроизведением; регулируемым поглощением и высвобождением питательных веществ, воды и биологически активных веществ; регулируемым транспортом ионов и молекул; созданием и регулированием ионных градиентов через мембрану. Очень перспективно для различных применений, особенно в медицине, дистанционное управление такими функциями с помощью оптических, электрических и магнитных воздействий, стимулов. В данный момент мы работаем над созданием умных искусственных мембран, которые можно запрограммировать в момент сборки и которые способны изменять свои свойства и функции в ответ на даже незначительные возмущения, изменения, окружающей среды.

Одно из интересных направлений, которым мы занимаемся,— научить мембраны генерировать, накапливать и использовать энергию там, где это необходимо, и тогда, когда нам это нужно. Такие «умные» наногенераторы очень важны, например, для создания искусственных органов с внутренними источниками энергии. Для достижения таких сложных функций мы комбинируем графен и другие 2D-материалы, синтетические и натуральные полимеры, такие как, например, белки и синтетические аналоги белков, полиэлектролиты. Например, недавно в сотрудничестве с Университетом ИТМО (Санкт-Петербург) мы разработали 2D-мембраны из оксида графена и полиамина. Вместе эти два материала образуют сеть ионных каналов, которые демонстрируют регулируемую проницаемость воды и одновалентных ионов, подобно биологическим мембранам. Кроме того, неожиданно для нас оказалось, что транспорт некоторых ионов может регулироваться присутствием других ионов, создавая «транзисторный эффект» для селективного ионного транспорта.

— Искусственные мембраны с внутренним интеллектом имеют решающее значение во многих областях науки и техники и могут широко использоваться в пищевой, фармацевтической и энергетической промышленности. Искусственные «умные» системы с программируемыми свойствами, имитирующие поведение живых систем, представляют большой интерес для современных технологий, таких как извлечение Li+ для литий-ионных аккумуляторов и удаление Cs+ из радиоактивных отходов. Такие мембраны могут привести к дальнейшим достижениям в области формирования супернаноконденсаторов, мембран, которые, как губки, могут селективно высвобождать ионы для роста биопленок для пищевой промышленности и фармации.