Кристалл оригами: Оригами кристалл из бумаги: схема складывания

Оригами кристалл из бумаги: схема складывания

Сегодня из нашего мастер-класса вы узнаете, как сделать оригами кристалл из бумаги своими руками. Создать такой бумажный кристалл в технике модульного оригами несложно, тем более, что мы подготовили для вас пошаговую инструкцию с фото и схему, иллюстрирующую поэтапность складывания.

Инструменты и материалы Время: 30 минут • Сложность: 4/10

• 6 листов металлизированной бумаги для оригами, с длиной в 2 раза больше ширины. Мы взяли кусочки 5 х 10 см.

Простые поделки – самые лучшие, ведь с ними справится большинство из нас! Этот оригами кристалл создан в технике модульного оригами, и все, что вам нужно для его изготовления – несколько листов металлизированной бумаги золотистого цвета.

Пошаговая инструкция с фото

Создается этот оригами кристалл из 6 одинаковых сложенных фигур, которые вставляются друг в друга. Шаги и складки на этой модели достаточно простые, и в результате вы получаете граненый шар с большим количеством измерений.

Это быстрый и легкий проект, который выглядит очень сложным, когда ваша работа будет закончена. Немного усилий и времени – и шикарный драгоценный оригами кристалл из бумаги у вас в руках!

Что вам понадобится:

Шаг 1: загибаем углы

Возьмите один из кусочков металлизированной бумаги для оригами золотого цвета. Положите его перед собой лицевой стороной вниз.

Сложите верхний правый угол вниз к нижней центральной точке прямоугольника. После этого загните левый нижний угол вверх к верхней центральной точке прямоугольника.

Шаг 2: делаем квадрат

Сложите нижний правый закрылок вверх по линии середины. Таким же образом сложите верхний правый закрылок вниз по линии середины.

Шаг 3: заворачиваем уголки

• Заверните нижний свободный угол по направлению вверх до линии середины.
• Загните верхний свободный угол по направлению вниз до линии середины.
• Аккуратно расправьте складки.

Один из модулей готов! Повторите шаги 1-3 с остальными 5 листами золотой металлизированной бумаги.

Шаг 4: собираем модули

Когда все 6 модулей будут готовы, пришло время для сборки кристалла. Вставьте один треугольный лоскут в серединку второго лоскута.

Соедините эти два модуля еще с одним, прижав треугольные лоскуты и вставив в них с обеих сторон третий модуль.

В одну из трех частей таким же образом вставьте еще два модуля. Наконец, присоедините к последним двум вставленным деталям свободный модуль и соберите конструкцию в шарик.

Сверкающий модульный оригами кристалл из бумаги готов! Надеемся, описанная нами в мастер-классе  схема складывания не вызвала у вас затруднений в процессе работы.

Нам очень нравится, как металлическая бумага отражает углы внутри и снаружи. Думаем, такие бумажные кристаллы оригами замечательно будут смотреться нанизанными на гирлянду, также их можно подвесить вертикально в передней части окна!

Еще один вариант сборки оригами кристалла вы можете увидеть в мастер-классе с видео, который мы для вас подыскали.

Как сделать кристалл из бумаги. Бумажные кристаллы для праздничной гирлянды. Что вам понадобится

Лучшее украшение для дома — это украшение, сделанное своими руками. Ведь вы вкладываете в него свою душу, силы, а результат всегда такой разный. Поэтому стоит узнать, как сделать алмаз из бумаги. Найти применение такой милой вещице довольно просто.

Объемный алмаз

Главное в вопросе о том, как сделать алмаз из бумаги объемным — это шаблон. Нужно распечатать его на бумаге. Лучше сразу на той, из которой хотите делать поделку. Вырежьте шаблон и проведите иголкой по всем линиям (это необходимо для того, чтобы проще было сгибать). Делайте это по линейке. Теперь, опираясь на фото готового результата, сгибайте вырезанную фигуру. Торчащие треугольники — это та часть, с помощью которой алмаз склеивается. Как видите, все довольно просто.

Это был не единственный способ создания объемного алмаза. Есть еще один, его шаблон даже чуть проще. Проделайте то же самое, что и в первом методе и приклейте части в виде трапеции к основанию алмаза (шестиугольник).

Еще один вариант использования объёмных алмазов — гирлянда. Для ее создания проделайте отверстия с двух сторон в каждой детали и протяните через них нить. На месте входа и выхода нити в алмаз сделайте узлы. Это предотвратит скатывание алмазов в одну кучу.

Октаэдр

Как алмаз сделать из бумаги проще? Распечатайте развертку октаэдра. Проведите иголкой по линиям сгиба и склейте в нужных местах. Издалека фигура вполне напоминает нужную вам.

Это подойдет, если вам необходимо создать что-то наподобие необычной алмазной занавески. Переводить предложенные выше шаблоны, проводить иголкой по каждой линии и собирать алмаз намного сложнее, чем октаэдр. А при большом количестве октаэдров создается как раз нужное впечатление!

Коробочка

Как сделать из бумаги коробочку «Алмаз»? Распечатайте предложенный шаблон. Розовым и оранжевым отмечены стороны самого алмаза, а белым — места, с помощью которых поделка склеивается. Шестиугольник — это крышка коробочки.

Для создания большой коробки в виде алмаза нужно:

• Листы ватмана.
• Золотая клейкая лента.
• Прозрачная клейкая лента.
• Ножницы.
• Линейка
• Карандаш.

Ход работы:

Оригами

Как сделать алмаз из бумаги в технике оригами:

Довольно сложная схема сборки. С первого раза может не получиться, но не отчаивайтесь и пробуйте дальше!

Теперь вы знаете, как сделать алмаз из бумаги. Одному экземпляру вы вряд ли найдете применение, но если сделать много разноцветных алмазов, то открывается большой простор для фантазии. Например, возьмите прозрачную вазу и наполните ее этими драгоценностями, или положите их в цветочный горшок. Выглядит очень мило и стильно. Не выбрасывайте шаблон, наверняка он вам еще пригодится. Ведь такое украшение разбавит любой скучный интерьер!

Сегодня из нашего мастер-класса вы узнаете, как сделать оригами кристалл из бумаги своими руками. Создать такой бумажный кристалл в технике модульного оригами несложно, тем более, что мы подготовили для вас пошаговую инструкцию с фото и схему, иллюстрирующую поэтапность складывания.

Инструменты и материалы Время: 30 минут Сложность: 4/10

• 6 листов металлизированной бумаги для оригами, с длиной в 2 раза больше ширины. Мы взяли кусочки 5 х 10 см.

Простые поделки – самые лучшие, ведь с ними справится большинство из нас! Этот оригами кристалл создан в технике модульного оригами, и все, что вам нужно для его изготовления – несколько листов металлизированной бумаги золотистого цвета.

Пошаговая инструкция с фото

Создается этот оригами кристалл из 6 одинаковых сложенных фигур, которые вставляются друг в друга. Шаги и складки на этой модели достаточно простые, и в результате вы получаете граненый шар с большим количеством измерений.

Это быстрый и легкий проект, который выглядит очень сложным, когда ваша работа будет закончена. Немного усилий и времени – и шикарный драгоценный оригами кристалл из бумаги у вас в руках!

Что вам понадобится:

Шаг 1: загибаем углы

Возьмите один из кусочков металлизированной бумаги для оригами золотого цвета. Положите его перед собой лицевой стороной вниз.

Сложите верхний правый угол вниз к нижней центральной точке прямоугольника. После этого загните левый нижний угол вверх к верхней центральной точке прямоугольника.

Шаг 2: делаем квадрат

Сложите нижний правый закрылок вверх по линии середины. Таким же образом сложите верхний правый закрылок вниз по линии середины.

Шаг 3: заворачиваем уголки

• Заверните нижний свободный угол по направлению вверх до линии середины.
• Загните верхний свободный угол по направлению вниз до линии середины.
• Аккуратно расправьте складки.

Один из модулей готов! Повторите шаги 1-3 с остальными 5 листами золотой металлизированной бумаги.

Шаг 4: собираем модули

Когда все 6 модулей будут готовы, пришло время для сборки кристалла. Вставьте один треугольный лоскут в серединку второго лоскута.

Соедините эти два модуля еще с одним, прижав треугольные лоскуты и вставив в них с обеих сторон третий модуль.

В одну из трех частей таким же образом вставьте еще два модуля. Наконец, присоедините к последним двум вставленным деталям свободный модуль и соберите конструкцию в шарик.

Сверкающий модульный оригами кристалл из бумаги готов! Надеемся, описанная нами в мастер-классе схема складывания не вызвала у вас затруднений в процессе работы.

Вот такие оригинальные фигурки из бумаги в виде кристаллов будем вырезать и склеивать по схеме. Думаю применение объемным поделкам из бумаги каждый по себе найдет сам. Их можно будет нанизать на нитку и сделать гирлянду, украсит праздник, вечеринку, день рождение или просто декорировать интерьер.

Всего три вида схем фигурок, которые можно сделать разных цветов получив желаемое разнообразие. Эффектно смотрится если распылить по одной стороне кристала баллончик с серебристой краской.

Просто положить фигурки на лист бумаги и легким движением распылить краску, потом дать высохнуть. Главное добиться легкого эффекта, не переусердствовать. Тогда появится эффект блеска.

Как сделать фигурки из бумаги

Для объемной поделки из бумаги нам понадобятся схемы. Схемы кристаллов можно или .

Цветная бумага для принтеров. Продаются упаковки уже с несколькими цветами. Также дополнительные инструменты линейка, ножницы, игла или спица. Для начала берем и распечатываем скаченные схемы, можно увеличить или уменьшить по желанию. На схеме детали подписаны в соответствии с фигурами на фото.

Некоторые кристаллы состоят из трех другие из двух деталей на схеме. Распечатав вырезаем детали по контуру. К пунктирным линиям прикладываем линейку и проводим спицей. Таким образом делаем ложбинку, для того чтобы легче согнуть деталь по линии сгиба. Теперь осталось склеить детали между собой совмещая все составляющие части и кристаллы готовы.

Подарочная коробочка из бумаги в форме кристалла может быть удачным дополнением самого подарка.

Самая простая вещичка в такой коробочке станет настоящей драгоценностью!

Делается такая подарочная коробочка очень просто и быстро. Нужен лист плотной бумаги, ножницы и клей для бумаги.

Размер готовой коробочки около 11см в длину и 9см в ширину. Шаблон коробочки вы можете увидеть в полном размере, кликнув по нему (рис.1). Чтобы увидеть шаблон в полном размере, кликните по крестику в правом нижнем углу.

Шаблон распечатать на бумаге нужного цвета с помощью принтера. Вырезать и сделать биговку, используя для этого обратную сторону лезвия ножниц, или непишущую шариковую ручку, или что-то другое.

Поскольку биговка часто используется при изготовлении предметов из бумаги и картона, вот объяснение этого термина, возможно вам будет интересно:

Биговка (нем. biegen — огибать) — операция нанесения прямолинейной бороздки на лист бумаги. Необходима для последующего сложения по линии бумаги или картона.

Я взяла заготовку будущей коробочки и продавила все пунктирные линии на ней по линейке обратной стороной лезвий ножниц (рис.2).

Согнула заготовку по пунктирным линиям (рис.3)

Склеила все грани. Тут указаны места нанесения клея (рис.4).

В результате получился чудесный бумажный кристалл (рис.5).

Космическое оригами

Но обо всём по порядку. История оригами насчитывает уже более тысячи лет. По всей видимости, истоки этого искусства лежат в Древнем Китае, где, собственно, и была изобретена бумага. Но наибольшее развитие оно получило в Японии, став неотъемлемой частью культуры этой страны. Тем не менее, независимые традиции создания бумажных фигурок, пусть и не столь развитые, складывались и в других странах, например, в том же Китае, Корее, Германии и Испании. Достаточно долгое время владение техникой оригами считалось признаком хорошего тона у представителей высших сословий – бумага тогда была дорогим товаром, поэтому умение создавать из неё необычные фигурки выдавало в мастере его принадлежность к обеспеченным и влиятельным людям. Кроме того, оригами часто использовалось в религиозных обрядах и всевозможных церемониях.

Большой прорыв в развитии оригами в начале XIX века совершает немецкий педагог и теоретик дошкольного образования Фридрих Фрёбель, предложив это занятие в качестве обучающего в детских садах для развития детской моторики. Но самым заметным шагом в популяризации этого искусства и его распространения по всему миру становится создание в середине XX века японским мастером Акирой Ёсидзавой «азбуки оригами» – единой системы универсальных знаков, позволившей записывать схемы создания любых фигур и быстрее передавать опыт мастеров начинающим

Классическое оригами предписывает использование одного листа бумаги без применения клея и ножниц. Однако со временем появилось и достаточно много альтернативных направлений: например, в киригами лист бумаги можно разрезать, а в модульном оригами вначале собираются отдельные фрагменты, соединяемые потом в композицию, которая может быть практически любого размера.

Одним из самых выдающихся мастеров оригами считается француз Эрик Жуазель. Он специализировался на так называемом «методе влажного складывания» и все свои изящные скульптуры создавал исключительно с помощью бумаги и воды, не прибегая ни к клею, ни к ножницам. Работы Жуазеля находятся в частных коллекциях, а также выставляются в музеях, в том числе в Лувре. Цены на его фигурки достигают десятков тысяч долларов.
На фото: созданный Жуазелем «Оркестр гномов».  

Знание техники складывания оригами помогает создавать компактные вещи и складные конструкции, поэтому тот момент, когда инженеры и изобретатели обратят на древнее восточное искусство своё внимание, был лишь вопросом времени. Считается, что одним из первых, кто, вероятно, сделал это, был Карл Эльзенер. В 1891 году, ориентируясь на один из главных принципов оригами – размещение большого в малом – он придумал простую и практичную конструкцию складного ножа, внутри которого прятались лезвие, шило, консервный нож и отвёртка. Этот нож был взят на вооружение швейцарской армией и получил соответствующее название.

Сегодня примеров использования элементов оригами в промышленности достаточно много. Самый простой из них – это всевозможные картонные упаковочные коробки. Зачастую они создаются из нескольких элементов и скрепляются клеем или скобами. Стоимость коробок невысока, однако с учётом того, в каком объёме они используются, экономия даже на одной скрепке или секунде сборки в конечном счёте выливается в гигантские цифры. Поэтому компании, занимающиеся производством упаковки или её использованием в больших объёмах, вкладывают немалые средства в её совершенствование. К примеру, лапша быстрого приготовления обычно продаётся в контейнерах, изготовленных из склеенных вместе трёх-четырёх листов бумаги. Однако мастер оригами Toмоко Фусэ не так давно получил в США патент на изобретённый им метод сворачивания бумаги в цилиндр, имеющий дно – из одного листа и без применения склеивающих или скрепляющих материалов. А студенты-дизайнеры Генри Ван и Крис Курро из Инженерной школы Альберта Неркена модифицировали выкройку обычной картонной коробки. Их коробка собирается без использования клея, на её создание уходит на 15-20% меньше картона, а процесс сборки занимает в несколько раз меньше времени по сравнению с обычной тарой.

Самой известной и распространённой инженерной находкой оригами стала схема Миура-ори. Японский астрофизик Корё Миура придумал её в 1970 году, предложив использовать схему складывания, основанную на принципах жёсткого оригами, где складки рассматриваются как петли, соединяющие две плоские твёрдые поверхности. В отличие от обычных методов, складки в схеме Миура-ори расположены не чётко вертикально и горизонтально, а наклонены друг к другу под углами 84 и 96 градусов. Материал, сложенный по данной модели, очень легко разворачивается – для этого нужно всего лишь потянуть за два противоположных угла конструкции. Толщина сложенной модели Миура-ори зависит только от толщины используемого материала. Вначале модель использовалась для складывания больших бумажных документов и карт местности. Сложенная таким образом карта представляет собой плоскую фигуру. Отсутствие многослойных складок уменьшает нагрузку на бумагу и позволяет свернуть или развернуть её одним движением. Настоящий прорыв для Миура-ори происходит в 1995 году, когда это изобретение используется для разворачивания в космосе солнечных батарей японского спутника Space Flight Unit. Метод профессора Миура значительно упростил конструкцию и позволил сократить количество двигателей, необходимых для раскладывания фотоэлементов в космосе. Впоследствии эта конструкция использовалась и в японском телескопе JamesWebb. Деталь была сложена втрое в компактную структуру, а в космосе разворачивалась в двух местах.

Демонстрация метода Миура-ори и географическая карта, сложенная по этой схеме.  

Предложенная схема положила начало целому разделу в инженерном применении жёсткого оригами. С 2005 года в Японии начали создаваться различные целевые группы по применению методов оригами в практических целях, в промышленности. Одни занимались поиском оптимального решения для складывания всевозможных жёстких устройств с шарнирным соединением. Другие рассматривали возможность использования техники оригами в конструкции автомобиля, корпус которого более устойчив к разрушению в момент аварии, но в то же время может разрушаться определённым заданным образом, нанося меньше повреждений пассажирам. Третьи анализировали возможность применения принципов жёсткого оригами для космического корабля, использующего в качестве движителя солнечный или электрический парус. Такие космические паруса должны иметь большую площадь, а значит необходимо отработать дешёвую, но надёжную схему их транспортировки с Земли. Успешное развёртывание в космосе первого в мире солнечного паруса, сложенного с использованием принципов оригами, впервые произошло в 2004 году, а в 2010 году японский аппарат IKAROS впервые использовал космический парус в качестве двигателя. Аппарат был оснащён более совершенной моделью солнечного паруса – мембраной площадью 196 квадратных метра (14 на 14 метров) и толщиной несколько микрометров. Благодаря тому, что при сворачивании использовалась техника оригами, мембрана успешно развернулась без каких-либо повреждений. Правда, сам процесс занял почти неделю.

Лабораторное тестирование схемы укладки солнечных батарей, разрабатываемой при поддержке NASA, и иллюстрация их раскрытия после вывода системы на орбиту.  

Используется oригами и при поиске оптимальной конфигурации конструкции и моделировании её поведения под действием различных нагрузок. Так, японская корпорация «Тоё Сэйкан Кайся», крупнейший производитель тары для напитков и консервированных продуктов, использует технологию оригами в производстве жестяных банок. Специальное тиснение позволяет придать их стенкам дополнительную прочность и тем самым сделать стенки тоньше и дешевле. В то же время, после того как банка открыта и выпита, смять её становится легче, чем обычную. А значит занимать места в мусоре она будет меньше.

Преимущества, которые могут дать оригами-технологии, быстро осознали и в Штатах. Как результат, в 2012 году на изучение оригами Национальным научным фондом США было выделено 16 млн долларов. И именно в Америке была создана одна из наиболее продвинутых специализированных компьютерных программ для оригами TreeMaker. Её разработал американский физик, эксперт по полупроводниковым лазерам и оптоэлектронике Роберт Лэнг, с детства увлекавшийся оригами. Используя математические выкладки, учёный вывел закономерность создания моделей оригами и сформировал универсальный подход к решению задач с ними, который и положил в основу программы. Она позволяет создать упрощённый «скелет» конструкции, затем детализирует его и формирует развёртку сгибов. Развёртка является базовой основой будущей формы, точные контуры и детали которой подбираются отдельно. Например, программа покажет основу для формирования рогов бумажного жука, но их ширину и направление нужно подбирать самостоятельно. После того, как учёный понял, что оригами может использоваться для решения множества практических задач, он оставил работу в Силиконовой долине, полностью посвятив своё время практической стороне этого искусства.

Один из проектов, в которых Лэнг принимает участие, разворачивается в Ливерморской национальной лаборатории им. Э.Лоуренса. Речь идёт о разработке телескопа «Окуляр». Он должен находиться в 42 км от Земли и иметь диаметр главной линзы не менее ста метров. Роберт Лэнг разработал складную систему «зонтик», разделив линзу на плоские кольца. Для транспортировки кольца складываются в компактный цилиндр, а по прибытии раскладываются до нужного размера. В результате компонент прозрачной линзы уменьшается со ста до трёх метров. Система основана на принципах оригами и будет применяться в телескопах следующего поколения. Предварительные испытания на линзе диаметром пять метров прошли успешно. Кроме того, в 2018 году предполагается запуск новой мощной обсерватории – телескопа имени Джеймса Уэбба, который заменит устаревший «Хаббл». Диаметр зеркала в новом телескопе составит 6,5 метров (у Хаббла – 2,4), а складываться он будет из трёх компонентов.

Также учёный был задействован в разработке оптимальной модели складывания подушки безопасности в автомобиле. Как известно, подушка должна быть достаточно большой, чтобы защитить пассажиров, и при этом мгновенно раскрываться в момент удара. А скорость раскрытия напрямую зависит от того, каким образом подушка сложена – по аналогии с правильным складыванием парашюта. Алгоритмы для оригами позволили найти самое оптимальное решение.

Техники оригами позволяют хорошо справляться с задачами, в которых что-то большое нужно уместить в малом объёме. Один из наиболее ярких примеров – подушки безопасности.  

Аналогично были решены проблемы размещения большого в малом в медицине. Основная задача, которую позволяет решить оригами, связана с тем, что предмет при транспортировке должен занимать мало места, а потом принимать определённую форму и в несколько раз увеличиваться в объёме. Пример такой задачи из области медицины – это размещение внутри суженного участка органа стента, своеобразной полой трубки, искусственно расширяющей артерию, пищевод или другой орган. Сердечный стент вводится через вену, а достигнув нужного места (коронарной артерии), «разворачивается», чтобы поддержать стенки сосуда и обеспечить нормальное движение крови. Стентирование позволяет избежать серьёзных последствий инфаркта. Для проведения такой операции необходимо, чтобы стент при транспортировке по венам занимал как можно меньший объём, а после установки разворачивался до нужных размеров. Складной вариант стента представили в 2003 году сотрудники Оксфордского университета: Зонг Ю и Каори Курибаяши. Стент складывается по шаблону оригами, основанному на модели, называемой «водная бомбочка», которую умеют складывать даже дети.

Cтент, разработанный в 2003 году сотрудниками Оксфордского университета Зонгом Ю и Каори Курибаяши. В сложенном состоянии стент занимает минимальный объём и легко проходит по артерии. Достигнув нужного места, он раскладывается до рабочего состояния.  

Удивительно, но принципы оригами можно применять не только к осязаемым вещам, но и к нематериальным объектам. Например, таким образом учёные пытаются манипулировать формой траектории луча. Так называемое «оптическое оригами» было разработано инженерами Калифорнийского университета Сан-Диего с целью найти новый способ уменьшения размеров оптических систем. Исследователи взяли небольшой диск (прозрачный кристалл фторида кальция) и проделали в нём концентрические отверстия. Свет попадает в систему через внешнее кольцо. К диску применена «алмазная огранка», а также задействуется набор отражателей, которые искусственно увеличивают оптический путь. В центре «линзы-оригами» расположен светочувствительный датчик, на который свет попадает после многократных отражений. Новая оптическая система способна заменить громоздкие комплекты линз, уменьшив исходную оптическую конструкцию приблизительно в семь раз. После устранения учёными единственного недостатка нового объектива – маленькой глубины резкости из-за расположения апертуры вдоль края линзы, новая оптика найдёт широкое применение.

Одна из перспективных разработок на базе оригами – протезы межпозвоночных дисков, которые вставляются в разрез, после чего расширяются, превращаясь в две закруглённые конструкции, качающиеся друг на друге и имитирующие работу здорового диска.  

Новые возможности откроет человечеству и ДНК-оригами. В 2006 году американский биолог Пол Ротемунд из Калифорнийского технологического института представил своё открытие, связанное с молекулярным программированием. Учёный нашёл способ придать молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) определённую форму. Для этого используется свойство азотистых оснований образовывать пары определённых типов с помощью водородных связей при взаимодействии цепей нуклеиновых кислот. В качестве скрепляющих агентов Ротемунд использовал короткие синтетические ДНК-нити, конфигурация которых была рассчитана с помощью компьютерной программы, а затем синтезирована в лаборатории. Ему удалось прикрепить синтетические ДНК-нити в запрограммированных местах, а потом стянуть основную ДНК в нужную форму. Для демонстрации учёный использовал модели, сложенные из нитей ДНК в буквы, известные фигуры и даже смайлики. Такое моделирование может использоваться при разработке наноустройств. В том же институте при использовании техники ДНК-оригами был создан функционирующий переключатель (транзистор). Он в десять раз меньше аналогичных элементов, используемых в современных электронных устройствах. В перспективе можно будет создать целый компьютер из ДНК-элементов или даже скомбинированные из живых и искусственных объектов системы. Процесс сборки запрограммированных молекулярных форм происходит самостоятельно, на основе принципов формирования двойной спирали ДНК.

В течение нескольких лет метод ДНК-оригами совершенствовался, учёные отрабатывали его на различных трёхмерных объектах – коробках, шестерёнках и прочих вещах. Так появился экспериментальный маленький кувшин объёмом всего 800 тысяч молекул воды. Эта технология позволит создать носители для точной транспортировки лекарства в нужную часть органа, что повысит эффективность лекарств и снизит неблагоприятные побочные эффекты.

Полицейский бронированный щит, выполненный в технике Миура-ори. Очень компактен в сложенном состоянии, высокомобилен, раскладывается за несколько секунд и прекрасно выполняет свою основную функцию – защиту от пуль. Может укрыть за собой до трёх человек одновременно. Разработан командой учёных из частного американского Университета имени Бригама Янга.  

И это лишь только некоторые из направлений, где сегодня начинают активно использоваться оригами-технологии. Многие из них имеют чисто бытовое назначение (например, обувь, состоящая из одного элемента и сшивающаяся всего одним швом), другие призваны решать какие-то социальные проблемы (складные оригами-палатки для бездомных), третьи позволяют сказать новое слово дизайнерам интерьеров или одежды (платье-оригами). Так что простое увлечение фигурками из бумаги сегодня может стать очень и очень перспективным занятием.

%d0%ba%d1%80%d0%b8%d1%81%d1%82%d0%b0%d0%bb%d0%bb %d0%be%d1%80%d0%b8%d0%b3%d0%b0%d0%bc%d0%b8 %d0%b4%d0%b8%d0%b0%d0%bb%d0%be%d0%b3%d0%be%d0%b2%d0%be%d0%b5 %d0%be%d0%ba%d0%bd%d0%be PNG пнг образ | Векторы и PSD-файлы

Двухцветный световой эффект неонового абстрактного яркого треугольника

1200*1200

снежный человек расслабляющий кофе ретро векторная иллюстрация

5000*5000

80 основных форм силуэта

5000*5000

аудио кассета плоский дизайн

1200*1200

Бигфут бегущий ретро векторные иллюстрации

5000*5000

значок кассеты мультяшном стиле

5000*5000

злой волк очки векторные иллюстрации

5000*5000

вход в 80 е

1200*1200

я выбираю быть геймером потому что в реальной жизни ничего эпического не происходит

1200*1200

все радужные цвета морщинистый фольги

1200*1200

ретро дизайн футболки

4000*4000

снежный человек и инопланетянин празднуют напиток ретро векторная иллюстрация

5000*5000

лейбл онлайн трансляций с ярко синими розовыми неоновыми цветами и современным дизайном

1200*1200

аудиокассета изолированные вектор старая музыка ретро плеер ретро музыка аудиокассета 80 х пустой микс

5000*5000

все радужные цвета морщинистый фольги

1200*1200

кошка ретро красочные иллюстрации

5000*5000

тигр в очках ретро красочные векторные иллюстрации

5000*5000

череп море ретро векторная иллюстрация

5000*5000

лев крутые ретро очки векторная иллюстрация король лев

5000*5000

бумбокс с разноцветными музыкальными нотами

1200*1200

бигфут аксессуары америка векторные иллюстрации

5000*5000

мопс собака ретро векторная иллюстрация

5000*5000

Абстрактная геометрическая нерегулярная комбинация формы границы

1200*1200

рок рука в сетчатой ​​перчатке

1200*1200

Мультяшный милый ребенок детство ребенок классики памяти родился в 80 х

2000*2000

вектор иллюстрации розовых роликовых коньков на белом фоне

1200*1200

витамин b5 логотип значок дизайн типы

1200*1200

снежный человек дреды волосы векторные иллюстрации

5000*5000

Крутая голова гориллы векторная иллюстрация

5000*5000

Мемфис бесшовные модели 80 х 90 х стилей

4167*4167

енот клюшкой бейсбол ретро векторная иллюстрация

5000*5000

снежный человек гангстер ретро векторная иллюстрация

5000*5000

все радужные цвета морщинистый фольги

1200*1200

стиль комиксов 80 х

1200*1200

снежная сигарета ретро векторная иллюстрация

5000*5000

все радужные цвета морщинистый фольги

1200*1200

снежный человек приключение ретро векторная иллюстрация

5000*5000

Симпатичные модные мультяшные женские мощные плоские наклейки

1200*1200

Красочный геометрический абстрактный градиент красочная граница

1200*1200

предкрылки в стиле ретро 80 ​​с

1200*1200

Карточка с логотипом radio music

1200*1200

Мемфис дизайн геометрические фигуры узоры мода 80 90 х годов

4167*4167

стиль комиксов

1200*1200

поп арт 80 х патч стикер

3508*2480

Красочные смешные стикеры смайликов

1200*1200

Бангладеш 21 февраля международный день родного языка с иллюстрацией Шохид Минар

2500*2500

непрерывный рисунок линии старый радио музыка знак винтажный вектор одна линия искусство простота иллюстрация минималистичный дизайн

4667*4667

только сегодня мега распродажа от 80

4167*4167

дизайн плаката премьера фильма кино с белым вектором экрана ба

1200*1200

поп арт 80 х патч стикер

2292*2293

Фанера SyPly и ЛДСП Lamarty в декоре «Белый кристалл» в проекте «Дачный ответ» на телеканале НТВ. Оригами для двухъярусной детской

Авторы проекта извлекли пользу из сложной геометрии пристройки загородного дома. Комнату, состоящую из ломаных линий и выступов, превратили в подобие огромной фигурки из бумаги. На двух уровнях под скатами появились удобная детская, уголок для семейного отдыха, кинотеатр, скалодром и даже санузел.

Команда телепроекта трансформировала пространство мансарды в двухэтажную детскую, в которой найдется уголок для каждого юного героя проекта.

Чтобы обыграть необычную геометрию пространства, строители «Дачного ответа» зашили прочными листами фанеры скаты и внешнюю стену мансарды. Материалом для этих целей выступила фанера SyPly. На пол также уложили фанеру Сыктывкарского фанерного завода, которая послужила отличной основой под покрытие из ламината и досок из слэба. 

Для полного сходства мансарды с фигурой оригами выбрана соответствующая цветовая гамма помещения: все стены, пол, потолок и мебель покрыты белым цветом. Акцентный серо-голубой цвет подчеркнул схожесть линий с бумажной фигурой. 

Корпусную мебель сделали из ЛДСП Lamarty в декоре БЕЛЫЙ КРИСТАЛЛ по эскизам авторов проекта Евгении и Максима Константиновых. В комнате установили удобные шкафчики, в которых дети смогут разместить одежду и игрушки. Невысоким гардеробом будет комфортно пользоваться даже самым маленьким. Проявить творческий потенциал дети смогут за письменным столом с подъемной столешницей и рисовать на стене с маркерным покрытием. Продолжением творческого пространства служит мебельная композиция, в которой удобно хранить бумагу, краски и другие канцелярские принадлежности.

Под окнами по обеим сторонам от письменного стола расположился широкий подоконник, который можно использовать в качестве диванчика благодаря комфортабельным подушкам. Прочная конструкция и резные экраны радиаторов выполнены из фанеры SyPly. Уютное место располагает к отдыху и чтению, и выдержит вес даже взрослого.  

Простым фигурам помещения добавили узорчатой затейливости с помощью резных перил на лестнице, выполненных из фанеры Сыктывкарского фанерного завода. Резной рисунок выбран неслучайно. Это традиционный японский орнамент – волны. Аналогичная узорчатая фрезеровка украшает защитную панель второго яруса. Благодаря этому интересному элементу пространство наполняется причудливой игрой света и тени. 
 

Описание и видео эфира этого интерьера вы найдете на официальном сайте телепередачи «Дачный ответ». Эфир от 05.12.2021

Авторы проекта: Константиновы Максим и Евгения.

 

Школьники Дзержинского представили научные проекты о мире кристаллов, гаджетах и оригами

Маленькие исследователи научного сообщества учащихся начальной школы «Светлячок» поделились своими находками научно-практической конференции учащихся 19 марта в гимназии № 5.

Темой конференции стала «Проектная деятельность как важнейшее условие самореализации учащегося в современной школе». Вначале с приветственным словом выступила научный руководитель гимназии №5, кандидат педагогических наук, доцент, заслуженный учитель России, Нина Граблина. Она напомнила, что 5 лет назад в гимназии было создано научное общество для младших школьников «Светлячок», его возглавляет Алина Колпакова.

«Многие из вас работают над проектами не один год, а у кого-то поиск и маленькие открытия впереди, но это общество уникально тем, что оно объединило талантливых детей и талантливых учителей. Любой человек, занимающийся творчеством, исследованием, талантлив, потому что он неравнодушен к познанию. Здесь собрались пытливые, неравнодушные, любознательные ребята. В своих работах вы поднимаете уникальные проблемы — чем опасны компьютерные игры, почему мир кристаллов считают удивительным, почему Масленицу называют широкой, вред или польза – гаджеты, в чем секрет оригами, почему болят зубы», — обратилась Нина Граблина к юным исследователям.

Нина Васильевна высоко оценила труд учителей начальной школы, которые тратят колоссальные усилия на проектные работы детей.

Защита проектов проходила на 7 кафедрах. Свои работы представили 25 учащихся 1-4 классов. На кафедре №1 презентовали три проекта. Кто такие обитатели Московского моря попыталась ответить ученица 3 «В» Александра Трубецкая вместе со своим руководителем Галиной Молотовой. О вреде и пользе компьютерных игр вместе с научным руководителем Алиной Колпаковой размышлял ученик 4 «Г» Демьян Шиян. Исследование «Пауэрлифтинг — это здорово!» подготовила его одноклассница Владислава Веселова – дочь олимпийской чемпионки по этому виду спорта.

Примечательно, что практически в каждом исследовании была представлена не только работа с источниками, но и исследовательская и практическая составляющая. Алина Колпакова пояснила, что в научном обществе есть внеурочное занятие «Учась создавать проект». На нем школьники разрабатывают план проекта, начинают сбор необходимой информации. Потом идет домашняя работа совместно с родителями, подбор материала.

«Затем мы опять на занятии отбираем нужное, отсеиваем второстепенное. Завершающий этап — создание презентации. Учитель помогает в этом, потому что не все родители умеют работать в необходимой программе».

По итогам конференции маленькие исследователи и учителя-консультанты были отмечены почетными грамотами. Лучшие из работ будут представлены на региональной научно-практической конференции Ассоциированных школ «ЮНЕСКО» «Дети исследуют мир», которая пройдет 5 апреля на базе лицея №2, а также на общегородской конференции учащихся.

как из ДНК делают интересные штуки нанометрового размера / Хабр

Недавно я обнаружил весьма печальный факт: на Хабре совершенно не освещена такая забавная тема, как ДНК-оригами. Есть только

один пост 2009 года

, рассказывающий лишь самое начало занимательной истории о том, как из ДНК (да-да, той самой

дезоксирибонуклеиновой кислоты

, несущей нашу генетическую информацию) можно создавать всякие хитрые, плоские и трехмерные штуки нанометрового размера. Та самая нано-технология, как она есть. В этом обзоре я хочу рассказать о развитии ДНК-оригами: двухмерные смайлики из ДНК, трехмерные фигуры, кристаллы из ДНК с запрограммированной структурой, ДНК-«коробочки» с крышкой, способные нести молекулы нужных веществ и выпускать их после сигнала об открытии крышки, и, наконец, динамические структуры типа ДНК-шагохода (walker), гуляющего по подложке (создатели гордо говорят, что это уже наноробот!). Кто хочет узнать больше о том, зачем все это нужно, почитать о технологиях изготовления красивых нанометровых штук из ДНК или просто посмотреть красивые картинки, добро пожаловать под кат.

Так выглядит ДНК-наноробот

Немного теории

В конце двадцатого — начале двадцать первого века встал вопрос о конструировании объектов нанометрового размера. Для чего? Общий вектор на миниатюризацию существует достаточно давно, причем исторически это всегда было движение «сверху вниз» — например, в 70-х годах при изготовлении микросхем минимальный контролируемый размер составлял 2-8 мкм, далее это значение стремительно уменьшалось и сейчас в серийном производстве находятся чипы, выполненные по 22-нм технологическому процессу. Тут у думающих людей возник вопрос: а нельзя ли двигаться «снизу вверх»? Нельзя ли заставить атомы и молекулы собираться в нужные структуры и затем эти структуры использовать в технике? Очевидны требования к такой «самособирающейся» системе: материалы для нее должны быть достаточно дешевыми и доступными, самосборка сложной пространственной структуры системы должна легко и очевидно «программироваться», система должна быть способна нести полезный функционал. Тут же вспомнили, что в природе такие самособирающиеся системы уже существуют и прекрасно работают — это макромолекулы всех живых организмов, например, белки. Здесь приходит и первое разочаровние — белки слишком сложно устроены, их трехмерная структура задается совершенно неочевидным образом множеством нековалентных взаимодействий и получить белок с произвольной структурой — до сих пор абсолютно нетривиальная и нерешаемая задача. То есть использовать белки для конструирования нужных объектов нано-размеров технически невозможно. Что же делать? Оказывается, есть и другие макромолекулы, чья структура устроена гораздо проще структуры белков.

В 1953 году Уотсон и Крик опубликовали свою модель структуры ДНК, оказавшейся абсолютно верной. ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — это интересно устроенный линейный полимер. Одна нить ДНК состоит из монотонно повторяющегося сахаро-фосфатного остова (он асимметричен и имеет направление, различают 5′ и 3′ конец цепи), однако к каждому сахару (дезоксирибозе в случае ДНК) прикреплен один из четырех нуклеотидов (синоним слова нуклеотид — «основание») — аденин, либо тимин, либо цитозин, либо гуанин. Обычно их обозначают одной буквой — А, Т, Ц, Г. Таким образом, в ДНК есть только 4 типа мономеров, в отличие от 20 аминокислот в составе белка, что делает структуру ДНК намного проще. Дальше становится еще веселей — есть так называемое «Уотсон-Криковское спаривание оснований»: аденин может специфично связываться с тимином, а гуанин — с цитозином, образуя пары А-Т и Г-Ц (и еще Т-А и Ц-Г, разумеется), другие взаимодействий между нуклеотидами в упрощенном случае можно считать невозможными (они возможны в виде исключения при некоторых редких условиях, но для нас это не важно). Уотсон-Криковское спаривание оснований еще называется комплементарностью.

Две цепи ДНК, последовательность оснований которых комплементарна, немедленно «слипаются» в двойную спираль.Возникает вопрос: а что, если на одной цепи ДНК находятся две комплементарные области? Ответ: цепь ДНК может согнуться и комплементарные области смогут образовать двойную спираль, а вместе с местом изгиба эта структура будет называться «шпилькой» (DNA hairpin):

На чем же основано «слипание» двух комплементарных цепей ДНК (или, аналогично, двух комплементарных участков одной цепи)? Это взаимодействие держится на водородных связях. Пара А-Т соединяется двумя водородными связями, пара Г-Ц — тремя, поэтому эта пара более энергетически устойчива. Про водородные связи надо понимать следующее: энергия одной водородной связи (5 ккал/моль) не намного превосходит энергию теплового движения, а значит, одна отдельно взятая водородная связь может быть с высокой вероятностью тепловым движением разрушена. Однако, чем больше водородных связей, тем более устойчивой становится система. Это значит, что короткие участки комплементарных оснований ДНК не могут образовать устойчивую двойную спираль, она будет легко «плавиться», однако более длинные комплементарные участки уже смогут образовать стабильные структуры. Стабильность двухцепочечной структуры выражается одним параметром — температурой плавления (Тм, melting temperature). По определению, температура плавления — это температура, при которой в равновесии 50% молекул ДНК с данной длиной и последовательностью нуклеотидов находятся в двухцепочечном состоянии, а другие 50% — в расплавленном одноцепочечном состоянии. Очевидно, что температура плавления напрямую зависит от длины комплементарной области (чем длиннее — тем выше температура плавления) и от нуклеотидного состава (так как в паре Г-Ц три водородные связи, а в паре А-Т — две, то чем больше пар Г-Ц, тем выше температура плавления). Температура плавления для данной последовательности ДНК легко считается по эмпирически выведенной формуле.

От теории к практике

Итак, теорию мы изучили. Что же мы можем сделать на практике? С помощью химического синтеза мы можем напрямую синтезировать цепи ДНК длиной до 120 нуклеотидов (просто потом выход продукта резко падает). Если же нам нужна более длинная цепь, то ее без проблем можно собрать из тех самых химически синтезированных фрагментов длиной до 120 нуклеотидов (например, дядюшка

Крейг Вентер

отличился тем, что из кусочков

собрал ДНК длиной аж 1,08 миллиона пар оснований

). То есть в 21 веке мы можем легко и дешево делать ДНК любой последовательности, какой только захотим. А хотим мы, чтобы потом ДНК сворачивалась во всякие хитрые и сложные структуры, которые мы потом сможем использовать. Для этого у нас есть принцип комплементарности — как только в последовательности ДНК появляются комплементарные зоны, они слипаются и образуют двухцепочечный участок. Очевидно, мы хотим делать структуры, стабильные при комнатной температуре, значит мы хотим рассчитать температуру плавления для данных участков и сделать ее достаточно большой. При этом на одной цепи ДНК мы можем делать много разных областей с разными последовательностями и слипаться будут только комплементарные. Так как комплементарных областей может быть несколько, в результате молекула может свернуться достаточно сложным образом! Как-то так, например:

Так же, помимо положительного дизайна (создание областей, способных образовывать нужную нам структуру), при разработке структур с самосборкой нельзя забывать и о негативном дизайне — нужно проверять получившуюся последовательность ДНК на потенциальное наличие паразитных взаимодействий (когда части созданных нами областей оказываются способными взаимодейстовать по-другому, образуя ненужные нам паразитные структуры) и от этих паразитных структур и взаимодействий избавляться, меняя нуклеотидную последовательность ДНК. Как получить простейшие структуры ДНК типа «шпильки» достаточно очевидно, но скучно и неинтересно. Можно ли из ДНК сделать что-то посложнее? Здесь уже без компьютерных вычислений не обойтись. Мы хотим некую структуру и теперь должны подобрать последовательность ДНК, которая в эту структуру свернется за счет взаимодействия комплементарных областей, но при этом в последовательности не должно быть паразитных взаимодействий, непредусмотренных нами комплементарных областей, образующих альтернативные структуры. Плюс структура должна отвечать другим критериям, например, иметь температуру плавления выше некоторой заданной величины. В результате имеем типичную оптимизационную задачу.

Двухмерные структуры из ДНК

Методологический прорыв устроил Paul Rothemund (Калифорнийский Технологический Институт) в 2006 году, именно он и придумал термин «ДНК-оригами». В своей

статье в «Nature»

он представил множество забавных двухмерных объектов, сделанных из ДНК. Принцип, предложенный им, достаточно прост: взять длинную (примерно 7000 нуклеотидов )«опорную» одноцепочечную молекулу ДНК и затем с помощью сотни коротких ДНК-скрепок, образующих двухцепочечные области с опорной молекулой, согнуть опорную ДНК в нужную нам двухмерную структуру. Вот рисунок из оригинальной статьи, представляющий все стадии разработки. Для начала (а) нарисуем нужную нам форму красным цветом и прикинем, как заполнить ее ДНК (представим ее на этом этапе в виде труб). Далее (b) представим, как провести одну длинную опорную молекулу по нужной нам форме (показана черной линией). На третьем этапе (с) подумаем, где мы хотим разместить «скрепки», стабилизирующие укладку длинной опорной цепи. Четвертый этап (d): больше деталей, прикидываем, как будет выглядеть вся нужная нам структура ДНК и, наконец, (e) мы имеем схему нужной нам структуры, можно заказывать ДНК нужной последовательности!

Как же из химически синтезированных ДНК собрать нужную нам структуру? Здесь на помощь приходит процесс плавления. Мы берем пробирку с водным раствором, бросаем в нее все фрагменты ДНК и нагреваем до 94-98С, температуры, которая гарантировано плавит всю ДНК (переводит ее в одноцепочечную форму). Далее мы просто очень медленно (в течении многих часов, в некоторых работах — в течении нескольких дней) охлаждаем пробирку до комнатной температуры (эта процедура называется «отжиг», annealing). При этом медленном охлаждении, когда температура оказывается достаточно низкой, постепенно образуются нужные нам двухцепочечные структуры. В оригинальной работе в каждом эксперименте примерно 70% молекул успешно собирались в нужную структуру, остальные имели дефекты.

Далее, после того, как структура рассчитана, неплохо бы доказать, что она собирается именно так, как нам надо. Для этого чаще всего используют атомно-силовую микроскопию, которая как раз прекрасно показывает общую форму молекул, но иногда используют и cryo-EM (электронную микроскопию). Автор сделал множество веселых форм из ДНК, на картинках представлены расчетные структуры и результат экспериментального определения структур с помощью атомно-силовой микроскопии. Наслаждайтесь!

Трехмерные структуры из ДНК

После того, как разобрались с конструированием сложных плоских объектов, почему бы не перейти к третьему измерению? Здесь пионерами была группа ребят из Института Скриппса в Ла-Холле, Калифорния, которые в 2004 году придумали, как из

ДНК сделать нано-октаэдр

. Хотя эта работа и сделана на 2 года раньше плоского ДНК-оригами, в тот раз был решен лишь частный случай (получение октаэдра из ДНК), а в работе по ДНК-оригами было предложено общее решение, поэтому именно работа 2006 года по ДНК-оригами считается основополагающей.

Октаэдр был сделан из одноцепочечной молекулы ДНК длиной примерно 1700 нуклеотидов, имеющей комплементарные области и к тому же скрепленой пятью 40-нуклеотидными ДНК-адаптерами, в результате был получен октаэдр с диаметром 22 нанометра.
На рисунке обратите внимание на цветовую кодировку на двухмерной развертке октаэдра. Видите области, отмеченные одинаковым цветом? Они содержат как комплементарные зоны (параллельные участки соединенные поперечными связями), так и некомплементарные (на схеме они изображены в виде пузырьков), при этом зоны одного цвета, расположенные в разных частях двухмерной развертки, взаимодействуют друг с другом, образуя сложную структуру, изображенную на рисунке 1с и образующую грань трехмерного тетраэдра. Наслаждайтесь красивыми картинками!

В 2009 году ученые из Бостона и Гарвардского Университета опубликовали принципы построения трехмерного ДНК-оригами, как они сами говорят, по подобию пчелиных сот. Одно из достижений этой работы — люди написали open-source программу caDNAno для конструирования трехмерных структур ДНК (она работает на Autodesk Maya). С этой программой даже неспециалист может собрать нужную структуру из готовых блоков с использованием простенького графического интерфейса, а программа рассчитает необходимую последовательность (или последовательности) ДНК, в эту структуру сворачивающуюся.

В следующей своей работе они научились делать из ДНК сложные трехмерные объекты с контролируемым искривлением и порадовали читателей журнала «Science» красивыми картинками разных искривленных объектов из ДНК (там такие классные шестеренки получились!).

Периодические структуры

До сих пор ученые игрались с непериодическими структурами из ДНК. А что если сделать такую структуру, чтобы один блок мог взаимодействовать с другим таким же блоком, и так до бесконечности? Представьте себе три отрезка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу (походит на противотанковый еж). Очевидно, что такая структура может быть узлом бесконечной кубической решетки, если каждая сторона такого ежа будет взаимодействовать с другим таким ежом. Именно эту идею в 2010 году

воплотили на практике

ученые из Нью-Йорка, они сделали такого ДНК-ежа, который немедленно сформировал трехмерную решетку, то есть кристалл из ДНК, так что они использовали рентгеноструктурный анализ, чтобы показать, что ДНК образовали именно такую структуру, какую они и хотели. В свою очередь, так как кристаллы ДНК имели размер до пол-миллиметра (а это уже макро-объект), было гордо заявлено, что теперь из нано-объектов мы умеем собирать макро-объекты.

Вот стерео-картинка узла решетки, если умеете правильно скашивать глаза (это прямая стереопара), можете посмотреть в 3D (на нижней картинке с электронной плотностью ДНК четко видны два узла-«противотанковых ежа»):

Динамические структуры

Следующий шаг в конструировании трехмерных нано-объектов так же очевиден — а что если заставить это все как-то двигаться? Движущийся объект уже можно и нано-роботом назвать. Самый простенький ДНК-шагоход был сделан в 2008 году

командой из Калифорнийского Технологического института

. Работает он по достаточно простому принципу. Представьте себе одноцепочечную ДНК длиной, скажем, 100 нуклеотидов. Представьте другую одноцепочечную ДНК, короткую, длиной 50 нуклеотидов, комплементарную половине первой молекулы. Что будет, если их смешать? Правильно, они образуют двухцепочечную структуру в районе этих 50 нуклеотидов, вторая же половина первой молекулы останется свободной. А что если к этой структуре добавить еще одну молекулу ДНК, длиной 100 нуклеотидов и полностью комплементарной первой молекуле? Ответ вполне очевиден: она вытеснит короткую цепь длиной 50 нуклеотидов, так как обладает большим сродством к первой молекуле (у них сродство 100 из 100, а с короткой — только 50 из 100 нуклеотидов). Именно так и работал первый ДНК-шагоход. На подложке закреплены молекулы одноцепочечной ДНК, к ним из раствора приходит молекула-шагоход, имеющая комплементарные зоны к двум соседним цепям на подложке и связывается с ними. Если потом мы добавим в раствор другую ДНК, имеющую большее сродство к первой цепи на подложке, то она вытеснит одну ногу шагохода, после чего эта нога свяжется со следующей (третьей) цепью ДНК на подложке. Добавляя новые вытесняющие ДНК можно гнать шагоход все дальше и дальше по подложке. Обратный ход невозможен, так как предыдущие цепи на подложке уже инактивированы связыванием с более длинной молекулой ДНК.

Хотя первый шагоход выглядел настолько примитивно, конструкция была доработана учеными из Нью-Йорка. Они сделали более сложный шагоход с несколькими «руками» и «ногами», прицепили при помощи комплементарных ДНК на подложку «груз» (золотые частицы диаметром 5 и 10 нм) и «запрограммировали» шагоход таким образом, чтобы он прошел по подложке и собрал груз — три маленькие и одну большую золотые частицы. Последовательность шагов легко отследить по стрелочкам, а на экспериментальной картинке справа видны частицы золота и как шагоход их собирает. Нано-робот в действии! На нижней картинке показано, как именно происходит процесс «шагания» и сбора груза, принцип — тот же самый, вытеснение одной ДНК другой.

Но это еще не все. Венцом ДНК-робототехники (думаю, тут в моем голосе слышим некоторый сарказм) стал «наноробот для молекулярного транспорта», как окрестили его создатели из Бостона. Фактически ребята сделали некую «коробочку» из ДНК, закрывающуюся на «замок» из ДНК, который может быть открыт по уже известному нам принципу вытеснения одной ДНК другой, как в шагоходах. Внутри коробочки спрятан груз — частицы золота либо молекулы иммуноглобулина. ДНК можно химически модифицировать таким образом, чтобы на ней можно было закрепить этот самый груз. Итак, мы имеем закрытую коробочку, содержимое коробочки надежно спрятано. Тут мы добавляем молекулу, открывающую коробочку, она открывается и иммуноглобулин, спрятанный внутри, выходит наружу и начинает действовать! Мы же хлопаем в ладоши, умиляемся и радуемся прогрессу.

Ребята даже не поленились сделать демонстрацию proof of principle на живых раковых клетках: они прятали в коробочку антитела, блокирующие ключевые белки клеточного цикла, вводили коробочки в раковые клетки и после добавления открывающего коробочку активатора раковые клетки правда переставали делиться! Таким образом была показана принципиальная возможность использования таких конструкций для направленной доставки лекарств в организме и их выделения в нужное время по сигналу от молекулы-активатора. Одна осталась проблема, как раковую клетку от здоровой надежно отличить…

Для чего козе баян?

Все это, конечно, здорово и хорошо, картинки красивые, но внимательный читатель может спросить: «А где обещанная в самом начале польза для народного хозяйства?». Как и со всякой новой технологией, пока большой практической пользы действительно нет, помимо эстетического удовольствия от созерцания этой нано-красоты. Однако, все только начинается! Во-первых, ДНК может быть химически модифицирована, к ней могут быть добавлены химические группы, обеспечивающие связывание с другими молекулами и тогда ДНК можно использовать как подложку для построения сложных структур из других молекул. Например, сейчас все хотят что-то мастерить из нанотрубок. Если удастся сделать адаптер, связывающийся одним концом с ДНК, а другим — с нанотрубкой, тогда структуры из ДНК можно использовать для соединения нанотрубок. С другой стороны, уже есть

сообщения о контролируемой металлизации ДНК

, а отсюда уже рукой подать до конструирования электронных устройств на базе структур из металлизированной ДНК. Может быть, ученые изобретут более подходящий полимер, обеспечивающий более удобную самосборку сложных структур, но в любом случае ДНК-оригами займет свое место в истории науки, как один из первых примеров конструирования сложных объектов в нано-масштабе. Как бы то ни было, нас ждет большое и светлое будущее, чего и вам желаю!

PS: интересное дополнение от vxsw:
«Уже пару лет проводится конкурс BIOMOD по дизайну таких штук при поддержке Wyss Institute (замеченного во многих интересных биотехнологических достижениях вроде недавней 3D-печати мини-аккумуляторов).»

PPS: в личке спросили, почему ДНК, а не РНК. Ответ такой: я вижу две основные причины: (1) ДНК — химически более стабильна. Все живые организмы синтезируют огромное количества РНКаз, ферментов, уничтожающих РНК. Если Вы случайно залезете голым пальцем в пробирку с РНК, от РНК ничего не останется — все сожрут РНКазы. Поэтому с РНК работают в специальных помещениях и тд — мороки гораздо больше, чем при работе с ДНК. С ДНК таких проблем нет, палец в пробирку сунешь — ничего ДНК не будет. (2) Стоимость химического синтеза РНК в разы превышает стоимость синтеза ДНК. Думаю, поэтому народ и развлекается с ДНК — дешевле и проще.

границ | Моделирование дефектов, эволюция формы и запрограммированное авто-оригами в жидкокристаллических эластомерах

Введение

Жидкокристаллические эластомеры (ЖКЭ) претерпевают обратимые преобразования формы под действием любого воздействия, которое изменяет степень их нематического порядка, включая нагревание, освещение или изменение химической среды (White and Broer, 2015). LCE представляют собой поперечно-сшитые полимеры с жидкокристаллическими мезогенами, либо включенными вдоль основной цепи полимера, либо присоединенными в качестве боковых цепей.Степень ориентационного порядка мезогенов внутри ЖКЭ зависит от температуры и может проявлять нематик-изотропный переход при нагревании. Из-за связи между мезогенами и полимером такой фазовый переход может вызвать макроскопические механические деформации в несколько сотен процентов.

Сложные траектории преобразования формы могут быть закодированы в материале путем формирования паттерна нематического директора, когда полимер сшит (Liu et al., 2015). Поле директора обычно контролируется формированием образцов между плоскими подложками с рисунком поверхностного закрепления (de Haan et al., 2014). Схема закрепления может быть одинаковой на обеих подложках, так что для достаточно тонкого образца поле директора будет однородным по толщине материала. В качестве альтернативы, схема закрепления может различаться между подложками на заданный угол закручивания, где направление закручивания директора между подложками контролируется добавлением хиральной легирующей примеси (Sawa et al., 2011). Если материал сшит в нематической фазе и плотность сшивки достаточно высока, то в материале «прописано» поле директора; затем этот запрограммированный паттерн вызывает локально анизотропную деформацию при изменении скалярного параметра порядка нематика, т.е.г., на обогрев. Поскольку получаемые в результате программируемые преобразования формы являются обратимыми, эти материалы являются привлекательными кандидатами для применения в качестве податливых мягких приводов (Spillmann et al., 2007), для управления текстурой поверхности (McConney et al., 2013) или для открытия/закрытия клапанов или апертур. (Санчес-Феррер и др., 2011; Модес и др., 2013; Шухладен и др., 2014).

В предыдущей работе мы сотрудничали с экспериментаторами, чтобы изучить, как даже относительно простые шаблоны управления приводят к сложному поведению срабатывания.Например, плоская прямая лента LCE с направляющей закруткой по толщине может образовывать спиральную или спиральную структуру в зависимости от свойств образца, включая геометрию направляющей закрутки и соотношение сторон образца; примечательно, что эти хиральные структуры претерпевают переходы от правых к левым в зависимости от температуры (Sawa et al., 2011, 2013). Образец большего размера с несколькими скрученными доменами, расположенными в виде полос, приводит к срабатыванию через складок аккордеона, в то время как шахматная структура скрученных доменов создает изогнутую текстуру (de Haan et al., 2013). В каждом случае мы использовали моделирование методом конечных элементов, чтобы исследовать взаимосвязь между структурой директора и результирующей активацией формы. Мы также исследовали мягкую упругую реакцию материалов LCE с более низкой плотностью поперечных связей; эти материалы демонстрируют мягкую эластичную реакцию, характеризующуюся формированием полосатой направляющей текстуры при деформации, что приводит к расширенному плато на кривой напряжения-деформации (Mbanga et al., 2010).

Здесь мы исследуем различные запрограммированные преобразования формы в LCE с более сложными заданными полями директора, вдохновленными во многих случаях недавними экспериментами.Объяснение методов моделирования представлено ниже в заключительном разделе.

Точные инструменты моделирования необходимы для проектирования/проектирования будущих устройств, для изучения зависимости геометрии преобразования формы от микроструктуры чертежа и для проверки того, как сочетаются известные мотивы дизайна. Моделирование может, в частности, дать представление о наблюдаемых различиях между аналитическими прогнозами, которые часто игнорируют энергию изгиба, и экспериментальными наблюдениями. Здесь мы рассмотрим несколько геометрий, которые были изучены экспериментально, и перейдем к изучению нескольких новых конструкций.

Дефекты

Модес и др. (2010, 2011) предсказали, что изначально плоская пленка ЛХЭ, содержащая дисклинацию +1 в поле директора, с директором, ориентированным в азимутальном направлении, при нагревании деформируется в форму конуса, а при охлаждении — в антиконус (седло). Недавняя экспериментальная работа McConney et al. (2013) и Ware et al. (2015) продемонстрировали это поведение, а также исследовали топологические дефекты более высокого порядка. Аналитические предсказания были сделаны в приближении пренебрежения энергией изгиба.Мы используем моделирование конечных элементов для изучения ожидаемых траекторий деформации в случае, когда включена энергия изгиба.

На рис. 1 показано конечно-элементное моделирование изначально квадратной пленки LCE с азимутальным дефектом +1. Пленка представлена ​​трехмерной тетраэдрической сеткой с соотношением сторон 50:1. Как и предсказывалось, мы обнаруживаем образование конуса при нагревании и образование седла при охлаждении в зависимости от температуры сшивки. Отметим, что при нагреве образец сначала остается плоским в метастабильном состоянии, пока при достаточно высокой температуре конус не начнет выходить наружу, самопроизвольно нарушая симметрию вверх-вниз.Такое поведение обусловлено включением в имитационную модель конечной энергии изгиба.

Рис. 1. (A) Моделирование методом конечных элементов – LCE с азимутальным дефектом +1 и соотношением сторон 50:1 деформируется в конус при нагревании и антиконус (седло) при охлаждении. (B) Высота конуса как функция Δ S , уменьшение нематического скалярного параметра порядка при нагревании. Образец изначально остается плоским при нагреве в метастабильном состоянии.Конус появляется только при достаточном нагреве, чтобы Δ S > 0,2.

Для дальнейшего исследования эффектов конечной энергии изгиба мы проводим еще одно моделирование пленки, содержащей дефект +1, с использованием образца в форме диска; эволюция его формы показана на рис. 2. Переходная структура показывает формирование формы «сомбреро» с отчетливой краевой областью, которая постепенно уплощается и проламывается, чтобы достичь ожидаемой окончательной формы конуса. Наблюдаемые переходные формы могут дать представление о структурах, наблюдаемых в эксперименте (de Haan et al., 2012; МакКонни и др., 2013).

Рис. 2. Моделирование методом конечных элементов LCE-диска с азимутальным дефектом +1 при нагреве . Мы наблюдаем переходную форму «сомбреро» с загнутым вверх краем. Обод деформируется и проламывается, оставляя конусообразный центр, окруженный почти плоским кольцом. В конце концов, образец достигает теоретически предсказанной формы конуса (Modes et al., 2010).

Мы также исследуем трансформацию формы в пленках ЖКЭ, содержащих дефекты более высокого порядка.На рис. 3 показана пленка с дефектом −2. Полученная активируемая форма имеет выступающую центральную область, окруженную шестью углублениями. Поскольку верх и низ пленки симметричны, каждая из этих областей положительной гауссовой кривизны имеет одинаковую вероятность всплыть вверх или вниз. Чтобы повысить вероятность нахождения симметричного конечного состояния, мы сместили преобразование, применив градиент температуры в начале моделирования, нагревая образец с одной стороны перед стабилизацией при постоянной температуре.

Рисунок 3. Слева: структура дефекта −2 . Справа: конечно-элементное моделирование LCE-диска, содержащего дефект −2, преобразование формы при нагреве. Симметрия вверх/вниз нарушается при нагревании с одной стороны, в результате чего получается симметричная структура. Цвет указывает на локальную энергию упругой деформации.

На рис. 4 (в центре) показано конечное состояние изначально плоской пленки ЛХЭ, содержащей дефект -4, снова нагретой с одной стороны для получения симметричной структуры.На рис. 4 (справа) показана структура, которая формируется, когда образец нагревается равномерно, а различные области случайным образом всплывают вверх или вниз, создавая неупорядоченную и асимметричную форму. Эти изображения можно сравнить с недавними экспериментами McConney et al. (2013) о дефектах высокого порядка.

Рисунок 4. Слева: структура дефекта −4 . В центре: конечно-элементное моделирование LCE-диска с дефектом -4, преобразование формы при нагреве, первоначально нагретый сверху.Справа: при равномерном нагреве каждая область положительной гауссовой кривизны может выходить либо вверх, либо вниз, создавая сложную беспорядочную конечную форму.

Чтобы добиться детерминированной, а не случайной эволюции формы, необходимо нарушить эту симметрию вверх-вниз. Вместо применения теплового градиента лучшим вариантом было бы ввести градиент материала. Например, плотность сшивки можно варьировать по толщине пленки путем введения в смесь компонента, поглощающего УФ-излучение, и сшивки посредством освещения с одной стороны.Альтернативно, поле директора на верхней и нижней подложках может быть изменено так, чтобы они не были идентичными.

Сгибание или скручивание

«Автооригами» относится к спонтанной деформации программируемого материала, микроструктура которого кодирует последовательность складок, растяжений и сдвигов для создания траектории движения от одной стабильной конформации к другой, вызванной внешним стимулом, таким как изменение температуры. . Ключевой задачей при конструировании формоизменяющих автооригами устройств является формирование складок, приводимых в действие, т.е.г., при нагреве, вызванном локализованным градиентом в поле директора нематика между верхней и нижней поверхностями. Например, направляющее скручивание по толщине материала можно использовать для создания складки (Ware et al., 2015). Одна из проблем заключается в том, что в дополнение к деформации складывания наложенный направляющий градиент этого типа может также вызвать более сложную деформацию, которая приводит к непреднамеренному скручиванию или короблению образца.

Для локализации напряжений, связанных с изгибной деформацией, в области шарнира мы разработали конструкцию, содержащую отверстия.На рис. 5 мы показываем изгибное соединение, состоящее из двух прямых (не LCE) упругих боковых стенок, соединенных массивом коротких LCE-лучей, каждая из которых имеет поле директора с гомеотропным закреплением вверху, плоское закрепление внизу, параллельное длинная ось луча с плавным градиентом направления между ними. При нагреве, когда каждая балка изгибается, сопровождающая ее поперечная деформация воспринимается соседними пустотами. В результате вся конструкция плавно изгибается без какой-либо поперечной усадки или коробления.Эта конструкция может хорошо функционировать в качестве клейкой ленты, которая при приклеивании к бумаге или ткани образует складки при определенной температуре. Изгибание лент, которые реагируют на разные температуры, может вызвать серию складок, которые возникают последовательно, например, при постепенном нагревании.

Рис. 5. Конечно-элементное моделирование привода, изгибающегося при нагреве; цвет указывает на плотность энергии деформации . Боковые стенки, не являющиеся ЛХЭ, соединены короткими балками ЛХЭ, каждая из которых имеет гомеотропную ориентацию директора вдоль верхней поверхности и планарную ориентацию на нижней поверхности с плавным градиентом между ними.Открытые пространства вдоль зоны изгиба воспринимают поперечную деформацию балок LCE без поперечной усадки или коробления прямых боковых стенок.

Мы также демонстрируем комбинирование двух разных типов направляющих градиентов вдоль луча, чтобы построить более сложную эволюцию формы. На рис. 6 показана балка, закрепленная одним концом на подложке, с двумя разными доменами директора. Левые 30% выборки имеют растянутую геометрию с гомеотропным закреплением внизу и планарным закреплением вверху; при нагревании изгибается, образуя С-образный изгиб.Оставшаяся часть образца имеет плоское закрепление с обеих сторон с поворотом на 90° между верхней и нижней поверхностями, как те, которые мы моделировали ранее (Sawa et al., 2011, 2013), и закручивания при нагревании, образующие спираль. Эволюция во времени при нагревании дает траекторию, показанную на рисунке 6. Эта структура может быть обратимо реконфигурирована путем изменения температуры.

Рис. 6. Моделирование методом конечных элементов эволюции формы пучка LCE при нагреве .Левые 30% луча имеют растянутый нематический директор, который вызывает С-образный изгиб, в то время как оставшийся пучок имеет закручивание директора на 90 ° по толщине, что приводит к спиральному закручиванию.

Активация барельефа

Приводы в виде барельефных или рельефных узоров желательны для приложений, включая тактильные дисплеи и для динамического управления текстурой поверхности. Было предложено множество направляющих мотивов для паттерна поверхностей для достижения желаемых структур поверхности, включая управляющие поля с помощью (McConney et al., 2013) и без (Mostajeran et al., 2015) топологических дефектов.

Здесь мы исследуем простой дизайнерский мотив, приводящий к появлению барельефного рисунка при нагреве. Чтобы создать приподнятую область в форме сердечка, мы смоделировали квадратную пленку LCE с разными условиями закрепления на верхней и нижней поверхностях. На верхней поверхности мы накладываем гомеотропное закрепление внутри сердцевидной области и однородное планарное закрепление снаружи, а на нижней поверхности мы меняем местами два условия закрепления, как показано на рисунке 7.Между тем мы предполагаем плавное изменение директора нематика без дефектов. На практике может оказаться необходимым задать небольшой угол предварительного наклона в гомеотропных закрепленных областях, чтобы предотвратить образование дефектов. Мы моделируем трансформацию формы этой системы при нагреве и обнаруживаем образование приподнятой сердцевидной барельефной структуры. В отличие от паттернов, управляемых топологическими дефектами описанного выше типа, в этой схеме отсутствует симметрия вверх-вниз, и поэтому она срабатывает детерминистически без случайности в конечном состоянии.

Рис. 7. (A) Якорные узоры на верхней и нижней поверхностях с комбинацией плоских и гомеотропных доменов. (B) Конечно-элементное моделирование срабатывания при нагреве полученной пленки ЛХЭ; появляется сердцевидный домен.

Метод моделирования

Чтобы создать трехмерную нелинейную конечно-элементную модель нашей системы, мы начинаем с создания сетки нашего образца в неструктурированной тетраэдрической сетке, используя приложение Salome с открытым исходным кодом (доступно на http://www.salome-platform.org/). Мы запишем гамильтониан для системы с членами как потенциальной, так и кинетической энергии как

H=∑элементов n[Cijklεijnεkln−α(Qij−Qijo)nεijn]Vn+∑узлов p[12mpvp 2]

Здесь первый член суммы по элементам есть энергия упругой деформации, где ε _ij — деформация Грина-Лагранжа, предполагаемая кусочно-постоянной по каждому элементу объема, а C _ijkl является тензором упругих постоянных. Второй член в сумме по элементам представляет связь между деформацией и тензором порядка нематика Q _ij , где Qijo представляет собой «чертежный» порядок нематика, определенный в каждом элементе, в момент пересечения образца -связанный.Параметр α представляет силу связи между нематическим порядком и деформацией и определяет степень деформации материала при изменении состояния нематического порядка, в то время как V _n представляет собой объем элемента, измеренный в эталонном состоянии. Сумма по узлам представляет собой расчет кинетической энергии, где m _p — эффективная масса каждой вершины, рассчитанная с использованием приближения сосредоточенной массы, а v _p — скорость узла.

Когда образец нагревается, мы предполагаем, что заданный директор нематика, описываемый как кусочно-постоянный внутри каждого элемента, остается фиксированным в системе отсчета тела, но скалярный параметр порядка падает. Таким образом, нематический тензор порядка внутри каждого элемента принимает вид Qij=S(T)[12(3ninj−δij)], где S ( T ) — скалярный параметр порядка как функция температуры, а n _i представляет компоненты нематического директора.Таким образом, любое изменение степени скалярного порядка изменяет Q _ij и вызывает деформацию.

Система эволюционирует вперед во времени посредством явного временного шага, напоминающего молекулярную динамику. В начале моделирования все скорости изначально установлены равными 0. На каждом временном шаге эффективная сила, действующая на каждый узел сетки, рассчитывается, как описано ниже, и уравнения движения для узлов интегрируются с использованием метода скорости Верле. (Пресс и др., 2007).

Расчет силы происходит следующим образом. Поле смещения является линейной интерполяцией внутри каждого тетраэдрического элемента с использованием положений угловых узлов в текущем состоянии и в недеформированном исходном состоянии элемента без напряжений, которое мы принимаем за форму элемента, когда материал сшит. . По градиентам поля перемещений мы вычисляем компоненты тензора деформации Грина-Лагранжа и по ним вычисляем потенциальную энергию.Таким образом, мы запишем потенциальную энергию системы как функцию положения узлов. Мы вычисляем действующую силу на каждом из четырех узлов, взяв отрицательную производную потенциальной энергии внутри каждого элемента по отношению к положениям узлов. Эффективная сила на каждом узле получает вклад от каждого элемента, членом которого он является.

Интересно, что наш алгоритм конечных элементов очень похож на обычное моделирование молекулярной динамики (Rapaport, 2004), где узлы в сетке конечных элементов перемещаются вместо атомов.Взаимодействия узлов принимают форму потенциала многих тел, рассчитанного для каждого элемента, с энергией и силами, зависящими от положения узлов как в их текущем состоянии, так и в их исходном, свободном от напряжений эталонном состоянии. Подобно алгоритму молекулярной динамики, этот расчет является полностью локальным и поэтому может быть легко распараллелен для быстрого выполнения на кластере или процессоре с графическим процессором. Если не добавляются диссипативные силы или механические ограничения, расчетная динамика сохраняет сумму кинетической и потенциальной энергии, импульса и углового момента.На практике мы добавляем диссипативные силы, чтобы позволить образцу достичь механического равновесия; Таким образом, движение может быть недостаточно или чрезмерно демпфировано. Способность моделировать эластодинамику с сохранением импульса, а не только квазистатическую релаксацию, позволяет нам моделировать скачкообразные переходы формы (Shankar et al., 2013; Smith et al., 2014) и другое сложное динамическое поведение.

В рамках этой модели, если две части образца пересекаются, они проходят друг через друга призрачно, без каких-либо столкновений. Чтобы избежать этого нефизического поведения в любом моделировании, мы добавляем короткодействующие попарные отталкивающие взаимодействия между поверхностными узлами, используя потенциал Уикса-Чандлера-Андерсена, который представляет собой потенциал Леннарда-Джонса, усеченный до минимума и сдвинутый таким образом, что потенциал обращается в нуль при отсечка (Ахмед и Садус, 2009).Затем мы используем алгоритм типа молекулярной динамики для обнаружения столкновений между такими поверхностными узлами и расчета результирующих сил.

Несмотря на то, что наша полностью трехмерная модель менее эффективна в вычислительном отношении, чем двумерная модель оболочки (Chung et al., 2015), она может описывать системы материалов с градиентами плотности направляющих или поперечных связей по толщине образца. С реализацией GPU мы можем достичь скорости до 100 временных шагов в секунду CPU для сетки из более чем 10 90 153 5 90 154 элементов.Более подробную информацию о модели можно найти у Mbanga (2012) и Gimenez-Pinto (2014).

Обсуждение

Устройства, разработанные с использованием структурированных LCE, имеют несколько ограниченное пространство для проектирования, поскольку полем нематического директора можно управлять только с помощью шаблонов закрепления на поверхности образца. По этой причине произвольное трехмерное поле директора не может быть реализовано. Экспериментальный метод проектирования материалов LCE с полностью трехмерным повоксельным управлением ориентацией директора мог бы обеспечить более широкий класс доступных структур, но, насколько нам известно, еще не разработан.

Напротив, недавно были представлены другие материалы с анизотропной эволюцией формы (Gladman et al., 2016), которые можно печатать последовательными слоями, обеспечивая большую степень контроля над всем трехмерным полем ориентации. Моделирование методом конечных элементов будет играть ключевую роль в разработке обоих типов устройств. Будущие разработки будут включать численные методы для решения так называемой обратной задачи, то есть для разработки поля директора, которое приводит к срабатыванию формы, которая точно следует заданной траектории и достигает целевой конечной формы.

Заключение

Моделирование методом конечных элементов является ценным инструментом проектирования для изучения широкого спектра конструкций устройств для материалов, подвергающихся программируемому изменению формы. Трехмерный характер нашей модели позволяет изучать системы, в которых энергия изгиба играет важную роль, и позволяет моделировать образцы, в которых директор нематика неоднороден по толщине пленки.

В то время как квазистатической релаксации достаточно для моделирования медленного процесса эволюции формы, некоторые переходы формы связаны с механической нестабильностью и могут демонстрировать быстрое переходное поведение.Эти быстрые изменения формы могут быть смоделированы с помощью моделирования эластодинамики с недостаточным демпфированием и сохранением импульса. Мы планируем продолжить изучение таких систем в будущей работе.

Вклад авторов

RS в качестве основного исследователя этой работы и разработал метод моделирования, используемый в этой статье. Компания VG-P выполнила моделирование для нескольких различных структур директора, а также провела анализ данных и визуализацию результатов. Компания AK реализовала алгоритм моделирования на языке программирования CUDA для выполнения на компьютере с поддержкой графического процессора, что значительно увеличило скорость вычислений, а также выполнила моделирование дизайна и изменения формы для нескольких из перечисленных здесь проектов.Он также разработал улучшенные методы визуализации данных.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы благодарят Тима Уайта, Майка МакКонни, Цихуо Вея и Баделя Мбангу за полезные обсуждения. Работа поддерживается Национальным научным фондом (NSF-DMR 1106014, NSF-DMR-1409658 и NSF-CMMI 1436565).Компьютерные ресурсы предоставлены Суперкомпьютерным центром Огайо и Кентским государственным колледжем искусств и наук.

Ссылки

Ахмед, А., и Садус, Р. Дж. (2009). Фазовая диаграмма потенциала Уикса-Чандлера-Андерсена от очень низких до высоких температур и давлений. Физ. Преп. E Стат. Нонлин. Физика мягких веществ. 80, 061101. doi: 10.1103/PhysRevE.80.061101

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Чанг, Х., Чой, Дж., Юн, Дж.-Х., и Чо, М. (2015). Световые и тепловые характеристики жидкокристаллических сетчатых пленок: исследование методом конечных элементов. Физ. Преп. E Стат. Нонлин. Физика мягких веществ. 91, 042503. doi:10.1103/PhysRevE.91.042503

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

de Haan, L.T., Gimenez-Pinto, V., Konya, A., Nguyen, T.-S., Verjans, JMN, Sánchez-Somolinos, C., et al. (2013). Аккордеонные приводы нескольких жидкокристаллических полимерных пленок с трехмерным рисунком. Доп. Функц. Матер. 24, 1251–1258. doi:10.1002/adfm.201302568

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

de Haan, L.T., Sánchez-Somolinos, C., Bastiaansen, C.M.W., Schenning, APHJ, and Broer, D.J. (2012). Инженерия сложного порядка и макроскопическая деформация жидкокристаллических полимерных сеток. Анжю. хим. Междунар. Эд. англ. 51, 12469–12472. doi:10.1002/anie.201205964

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

де Хаан, Л.Т., Шеннинг, А. П. Х. Дж., и Броер, Д. Дж. (2014). Программное преобразование жидкокристаллических сетей. Полимер (Guildf) 55, 5885–5896. doi:10.1016/j.polymer.2014.08.023

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Гладман, А.С., Мацумото, Э.А., Нуццо, Р.Г., Махадеван, Л., и Льюис, Дж.А. (2016). Биомиметическая 4D-печать. Нац. Матер. 15, 413–418. дои: 10.1038/nmat4544

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Лю, Ю., Гензер, Дж., и Дики, доктор медицины (2015). «2D или не 2D»: полимерные листы, программирующие форму. Прог. Полим. науч. 52, 79–106. doi:10.1016/j.progpolymsci.2015.09.001

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Мбанга, Б.Л., Йе, Ф., Селинджер, Дж.В., и Селинджер, Р.Л.Б. (2010). Моделирование упругих неустойчивостей в нематических эластомерах. Физ. Ред. E 82, 051701-1–051701-4. doi: 10.1103/PhysRevE.82.051701

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Мбанга, Б.Л. (2012). Гибридная эластодинамика частиц и конечных элементов Моделирование нематических жидкокристаллических эластомеров . Кент: Кентский государственный университет.

Академия Google

Макконни М.Е., Мартинес А., Тондиглиа В.П., Ли К.М., Лэнгли Д., Смалюх И.И. и соавт. (2013). Топография из топологии: фотоиндуцированные особенности поверхности, генерируемые в жидкокристаллических полимерных сетях. Доп. Матер. 25, 5880–5885. doi:10.1002/adma.201301891

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Режимы, С.Д., Бхаттачарья К. и Уорнер М. (2010). Дисклинационно-опосредованный термооптический отклик в листах нематического стекла. Физ. Ред. E 81, 060701-1–060701-4. doi: 10.1103/PhysRevE.81.060701

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Modes, CD, Bhattacharya, K., and Warner, M. (2011). Гауссова кривизна из плоских листов эластики. Проц. Р. Соц. Лондон Математика. физ. англ. науч. 467, 1121–1140. doi:10.1098/rspa.2010.0352

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Режимы, С.Д., Уорнер М., Санчес-Сомолинос К., де Хаан Л.Т. и Броер Д. (2013). Угловой дефицит в плоском пространстве: дистанционно управляемые апертуры в нематических твердых листах. Проц. Р. Соц. Математика. физ. англ. науч. 469, 631. doi:10.1098/rspa.2012.0631

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Санчес-Феррер А., Фишль Т., Штубенраух М., Альбрехт А., Вурмус Х., Хоффманн М. и др. (2011). Микроклапан из жидкокристаллического эластомера для микрофлюидики. Доп. Матер. 23, 4526–4530. doi:10.1002/adma.201102277

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Сава Ю., Ураяма К., Такигава Т., Хименес-Пинто В., Мбанга Б.Л., Йе Ф. и др. (2013). Переходы формы и хиральности в лентах из нематического эластомера внеосевого кручения. Физ. Преп. E Стат. Нонлин. Физика мягких веществ. 88, 022502. doi:10.1103/PhysRevE.88.022502

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Сава Ю., Ye, F., Urayama, K., Takigawa, T., Gimenez-Pinto, V., Selinger, R.L.B., et al. (2011). Выбор формы лент твист-нематик-эластомер. Проц. Натл. акад. науч. США 108, 6364–6368. doi:10.1073/pnas.1017658108

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Шухладен С., Преллер Ф., Рикс Р., Петш С., Зентель Р. и Заппе Х. (2014). Ирисоподобная перестраиваемая апертура с использованием жидкокристаллических эластомеров. Доп. Матер. 26, 7247–7251.doi:10.1002/adma.201402878

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Шанкар, М.Р., Смит, М.Л., Тондиглия, В.П., Ли, К.М., МакКонни, М.Е., Ван, Д.Х., и соавт. (2013). Бесконтактное фотоинициируемое защелкивание в полимерах, функционализированных азобензолом. Проц. Натл. акад. науч. США 110, 18792–18797. doi:10.1073/pnas.1313195110

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Смит, М.Л., Шанкар, М.Р., Бэкман, Р., Тондиглия, В.П., Ли, К.М., МакКонни, М.Е., и соавт. (2014). «Проектирование светочувствительных бистабильных дуг для быстрого дистанционного срабатывания», в SPIE Smart Structures and Materials + Nondestructive Evaluation and Health Monitoring , eds NC Goulbourne and HE Naguib (Сан-Диего, Калифорния: Международное общество оптики и фотоники), F .

Академия Google

Spillmann, C.M., Naciri, J., Martin, B.D., Farahat, W., Herr, H., and Ratna, B.R. (2007). Укладка нематических эластомеров для применения в искусственных мышцах. Датчики Приводы A Физ. 133, 500–505. doi:10.1016/j.sna.2006.04.045

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Уэр, Т. Х., МакКонни, М. Э., Ви, Дж. Дж., Тондиглия, В. П., и Уайт, Т. Дж. (2015). Исполнительные материалы. Вокселированные жидкокристаллические эластомеры. Наука 347, 982–984. doi:10.1126/наука.1261019

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Молекулярная инженерия хиральных коллоидных жидких кристаллов с использованием ДНК-оригами

1

Pusey, P.Н. и Ван Меген, В. Фазовое поведение концентрированной суспензии почти твердых коллоидных сфер. Природа 320 , 340–342 (1986).

КАС Google Scholar

2

Онзагер Л. Влияние формы на взаимодействие коллоидных частиц. Энн. Нью-Йоркская академия. науч. 51 , 627–659 (1949).

КАС Google Scholar

3

Дамаскено, П.Ф., Энгель М. и Глотцер С.К. Прогнозирующая самосборка многогранников в сложные структуры. Наука 337 , 453–457 (2012).

КАС Google Scholar

4

Wang, Y. et al. Коллоиды с валентностью и специфической направленной связью. Природа 491 , 51–55 (2012).

КАС Google Scholar

5

Хензи, Дж., Грюнвальд, М., Видмер-Купер, А., Гайслер, П.Л. и Ян, П. Самосборка однородных полиэдрических нанокристаллов серебра в плотнейшие упаковки и экзотические сверхрешетки. Нац. Матер. 11 , 131–137 (2012).

КАС Google Scholar

6

Глотцер, С. К. и Соломон, М. Дж. Анизотропия строительных блоков и их сборка в сложные конструкции. Нац. Матер. 6 , 557–562 (2007).

Google Scholar

7

Никипанчук Д., Maye, MM, van der Lelie, D. & Gang, O. Кристаллизация коллоидных наночастиц под управлением ДНК. Природа 451 , 549–552 (2008).

КАС Статья Google Scholar

8

Мундор Х., Сенюк Б., Смалюх И. И. Триклинные нематические коллоидные кристаллы от конкурирующих упругих и электростатических взаимодействий. Наука 352 , 69–73 (2016).

КАС Google Scholar

9

Мушевич И., Шкаработ М., Ткалек У., Равник М. и Жумер С. Двумерные нематические коллоидные кристаллы, самоорганизующиеся топологическими дефектами. Наука 313 , 954–958 (2006).

Google Scholar

10

Dietz, H., Douglas, S.M. & Shih, W.M. Сворачивание ДНК в скрученные и изогнутые наноразмерные формы. Наука 325 , 725–730 (2009).

КАС Google Scholar

11

Дуглас С.М. и др. Самосборка ДНК в наноразмерные трехмерные формы. Природа 459 , 414–418 (2009).

КАС Google Scholar

12

Бай, К.С., Мартин, Т.Г., Шерес, С.Х.В. и Дитц, Х. Крио-ЭМ структура трехмерного объекта ДНК-оригами. Проц. Натл акад. науч. США 109 , 20012–20017 (2012).

КАС Google Scholar

13

Герлинг Т., Вагенбауэр, К.Ф., Нойнер, А.М. и Дитц, Х. Устройства и сборки динамической ДНК, образованные комплементарными по форме трехмерными компонентами, не имеющими оснований. Наука 347 , 1446–1452 (2015).

КАС Google Scholar

14

Лу, Ф., Ягер, К.Г., Чжан, Ю.Г., Синь, Х.Л. и Ганг, О. Сверхрешетки, собранные с помощью направленного связывания, вызванного формой. Нац. коммун. 6 , 6912 (2015).

КАС Google Scholar

15

Барри, Э.и Догич, З. Самосборка неамфифильных коллоидных мембран, управляемая энтропией. Проц. Натл акад. науч. США 107 , 10348–10353 (2010 г.).

КАС Google Scholar

16

Gibaud, T. et al. Реконфигурируемая самосборка за счет хирального контроля межфазного натяжения. Природа 481 , 348–351 (2012).

КАС Google Scholar

17

Шарма П., Уорд А., Жибо Т., Хаган М. Ф. и Догик З. Иерархическая организация хиральных рафтов в коллоидных мембранах. Природа 513 , 77–80 (2014).

КАС Google Scholar

18

Pfitzner, E. et al. Жесткие пучки ДНК для механики одиночных молекул с высоким разрешением. Анжю. хим. Междунар. Эд. 52 , 7766–7771 (2013).

КАС Google Scholar

19

Тортора, Л.& Лаврентович О. Д. Нарушение киральной симметрии из-за пространственного ограничения в тактоидных каплях лиотропных хромоновых жидких кристаллов. Проц. Натл акад. науч. США 108 , 5163–5168 (2011).

КАС Google Scholar

20

Douglas, S.M., Chou, J.J. & Shih, W.M. Выравнивание мембранных белков ДНК-нанотрубками для определения структуры ЯМР. Проц. Натл акад. науч. США 104 , 6644–6648 (2007 г.).

КАС Google Scholar

21

Dogic, Z. & Fraden, S. Холестерическая фаза в суспензиях вирусов. Ленгмюр 16 , 7820–7824 (2000).

КАС Google Scholar

22

Grelet, E. & Fraden, S. Каково происхождение хиральности в холестерической фазе вирусных суспензий? Физ. Преподобный Летт. 90 , 198302 (2003 г.).

Google Scholar

23

Purdy, K.R. et al. Измерение нематического порядка суспензий коллоидного вируса fd методами рентгеновской дифракции и оптического двойного лучепреломления. Физ. Ред. E 67 , 031708 (2003 г.).

Google Scholar

24

Догич З. и Фраден С. Разработка модели коллоидных жидких кристаллов и кинетика изотропно-смектического перехода. Фил. Транс. Р. Соц. А 359 , 997–1014 (2001).

КАС Google Scholar

25

Purdy, K.R. & Fraden, S. Изотропно-холестерический фазовый переход суспензий нитчатых вирусов в зависимости от длины и заряда стержня. Физ. Ред. E 70 , 061703 (2004 г.).

Google Scholar

26

Танг Дж. К. и Фрейден С.Изотропно-холестерический фазовый переход в коллоидной суспензии нитчатого бактериофага- fd . жидк. Кристалл. 19 , 459–467 (1995).

КАС Google Scholar

27

Harris, A.B., Kamien, R.D. & Lubensky, T.C. Микроскопическое происхождение холестериновой смолы. Физ. Преподобный Летт. 78 , 2867–2867 (1997).

КАС Google Scholar

28

Ода Р., Huc, I., Schmutz, M., Candau, S. & MacKintosh, F. Настройка скручивания бислоя с использованием хиральных противоионов. Природа 399 , 566–569 (1999).

КАС Google Scholar

29

Zanchetta, G. et al. Правосторонняя ультракороткая ДНК с двойной спиралью дает хиральные нематические фазы как с правым, так и с левым поворотом директора. Проц. Натл акад. науч. США 107 , 17497–17502 (2010 г.).

КАС Google Scholar

30

Цао, Дж., Лю С., Сюн Дж., Чен Ю. и Чжан З. Хиральные жидкокристаллические фазы палочковидных вирусов, функционализированных фенилбороновой кислотой, реагирующие на раздражители, и их взаимодействие с биологически важными диолами. Хим. коммун. 50 , 10402–10405 (2014).

КАС Google Scholar

31

Ружичка, Ш. и Венсинк, Х. Х. Моделирование чувствительности к высоте тона скрученных нематиков пятнистых стержней. Soft Matter 12 , 5205–5213 (2016).

Google Scholar

32

Дусси, С. и Дейкстра, М. Энтропийно-управляемое образование хиральных нематических фаз с помощью компьютерного моделирования. Нац. коммун. 7 , 11175 (2016).

КАС Google Scholar

33

Castro, C.E. et al. Праймер для оригами с каркасом ДНК. Нац. Методы 8 , 221–229 (2011).

КАС Google Scholar

34

Барри, Э., Beller, D. & Dogic, Z. Модель жидкокристаллической системы на основе палочковидных вирусов с переменной хиральностью и длиной персистентности. Мягкая материя 5 , 2563–2570 (2009).

КАС Google Scholar

35

Асакура С. и Осава Ф. Взаимодействие между частицами, взвешенными в растворах макромолекул. Дж. Полим. науч. 33 , 183–192 (1958).

КАС Google Scholar

36

Далхаймер, П., Бейтс, Ф. С. и Дишер, Д. Е. Визуализация одной молекулы стабильных, регулируемых по жесткости, соответствующих потоку мицелл червя. Макромолекулы 36 , 6873–6877 (2003).

КАС Google Scholar

37

Зизерман Л., Мор А., Харрис Д. и Данино Д. Нестабильность кривизны в хиральной амфифильной самосборке. Физ. Преподобный Летт. 106 , 238105 (2011).

Google Scholar

38

Гиттес, Ф., Микки Б., Нетлтон Дж. и Ховард Дж. Жесткость при изгибе микротрубочек и актиновых нитей, измеренная по тепловым колебаниям формы. J. Cell Biol. 120 , 923–934 (1993).

КАС Google Scholar

39

Smith, S.B., Finzi, L. & Bustamante, C. Прямые механические измерения эластичности отдельных молекул ДНК с использованием магнитных шариков. Наука 258 , 1122–1126 (1992).

КАС Google Scholar

40

Ян, Ю. С., Барри, Э., Догич, З. и Хаган, М. Ф. Самостоятельная сборка двумерных мембран из смесей твердых стержней и истощающих полимеров. Soft Matter 8 , 707–714 (2012).

КАС Google Scholar

41

Каплан, С. Н., Ту, Х., Пелковиц, Р. А. и Мейер, Р. Б. Теория фазового перехода, вызванного истощением, от хиральных смектических скрученных лент-А к полубесконечным плоским мембранам. Физ. Ред. E 82 , 021701 (2010 г.).

Google Scholar

42

Канг, Л., Жибо, Т., Догик, З. и Лубенски, Т. Энтропийные силы стабилизируют различные формирующиеся структуры в коллоидных мембранах. Soft Matter 12 , 386–401 (2016).

КАС Google Scholar

43

Наката, М. и др. Сквозное наложение и жидкокристаллическая конденсация дуплексов ДНК от 6 до 20 пар оснований. Наука 318 , 1276–1279 (2007).

КАС Google Scholar

44

Park, C-Y., Fygenson, D.K. & Saleh, O.A. Электростатика и истощение определяют конкуренцию между 2D нематическими и 3D связанными фазами палочковидных нанотрубок ДНК. Soft Matter 12 , 5089–5095 (2016).

КАС Google Scholar

45

Френкель Д.Энтропийные фазовые переходы. Physica A 263 , 26–38 (1999).

КАС Google Scholar

46

Rambaran, R. N. & Serpell, L. C. Амилоидные фибриллы Аномальная сборка белков. Прион 2 , 112–117 (2008).

Google Scholar

47

Knowles, T. P. et al. Роль межмолекулярных сил в определении материальных свойств белковых нанофибрилл. Наука 318 , 1900–1903 (2007).

КАС Google Scholar

48

Zhou, Y. et al. Биомиметическая иерархическая сборка спиральных супрачастиц из хиральных наночастиц. ACS Nano 10 , 3248–3256 (2016).

КАС Google Scholar

49

Вон Ю. Ю., Дэвис Х. Т. и Бейтс Ф. С. Гигантские червеобразные мицеллы каучука. Наука 283 , 960–963 (1999).

КАС Google Scholar

50

Кузык А. и др. Самосборка хиральных плазмонных наноструктур на основе ДНК с индивидуальным оптическим откликом. Природа 483 , 311–314 (2012).

КАС Google Scholar

51

Rothemund, P.W.K. Сворачивание ДНК для создания наноразмерных форм и узоров. Природа 440 , 297–302 (2006).

КАС Google Scholar

52

Stahl, E., Martin, T.G., Praetorius, F. & Dietz, H. Простое и масштабируемое приготовление чистых и плотных растворов для оригами ДНК. Анжю. хим. Междунар. Эд. англ. 53 , 12735–12740 (2014).

КАС Google Scholar

53

Кик Б., Преториус Ф., Дитц, Х. и Веустер-Ботц, Д. Эффективное производство одноцепочечной фаговой ДНК в качестве каркаса для ДНК-оригами. Нано Летт. 15 , 4672–4676 (2015).

КАС Google Scholar

54

Douglas, S.M. et al. Быстрое прототипирование трехмерных форм ДНК-оригами с помощью caDNAno. Рез. нуклеиновых кислот. 37 , 5001–5006 (2009 г.).

КАС Google Scholar

55

Лау, А.WC, Prasad, A. & Dogic, Z. Конденсация изолированных полугибких нитей, обусловленная взаимодействием истощения. Еврофиз. лат. 87 , 48006 (2009).

Google Scholar

56

Brangwynne, C.P. et al. Динамика изгиба флуктуирующих биополимеров, определяемая автоматическим отслеживанием нити с высоким разрешением. Биофиз. J. 93 , 346–359 (2007).

КАС Google Scholar

57

Маниатис, Т., Sambrook, J. & Fritsch, E. Molecular Cloning Ch 3 (Cold Spring Harbour Laboratory, 1989).

Google Scholar

58

Леттинга М. П., Барри Э. и Догик З. Самодиффузия палочковидных вирусов в нематической фазе. Еврофиз. лат. 71 , 692–698 (2005).

КАС Google Scholar

59

Oldenbourg, R. Полевая микроскопия в поляризованном свете: аналитический метод с использованием массива микролинз для одновременной фиксации как коноскопических, так и ортоскопических изображений двулучепреломляющих объектов. Дж. Микроск. 231 , 419–432 (2008).

КАС Google Scholar

60

Барри, Э., Хенсел, З., Догич, З., Шрибак, М. и Олденбург, Р. Энтропийно-управляемое образование хиральной жидкокристаллической фазы спиральных нитей. Физ. Преподобный Летт. 96 , 018305 (2006 г.).

Google Scholar

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

Наноразмерные самособирающиеся шарики-оригами из кристаллов соли обволакивают жидкости — ScienceDaily

Исследователи разработали метод, с помощью которого они могут спонтанно инкапсулировать микроскопические капельки воды и масляной эмульсии в крошечную сферу, сделанную из кристаллов соли, примерно за минуту , самоконструирующийся футбольный мяч оригами, наполненный жидкостью.Процесс, который они называют «кристаллическим капиллярным оригами», может использоваться в различных областях, от более точной доставки лекарств до наноразмерных медицинских устройств. Техника описана в статье, опубликованной в журнале Nanoscale 21 сентября.

Капиллярное действие, или «капиллярность», будет знакомо большинству людей как то, как вода или другие жидкости могут двигаться вверх по узким трубкам или другим пористым материалам, казалось бы, вопреки силе тяжести (например, в сосудистых системах растений или даже больше). просто нанесение краски между ворсинками кисти).Этот эффект обусловлен силами сцепления (стремление молекул жидкости слипаться), что приводит к поверхностному натяжению, и адгезией (их стремлением прилипать к поверхности других веществ). Сила капиллярности зависит от химического состава жидкости, химического состава пористого материала и других сил, действующих на них обоих. Например, жидкость с более низким поверхностным натяжением, чем у воды, не сможет удержать водомерку.

Менее известно родственное явление, упруго-капиллярность, в котором используется взаимосвязь между капиллярностью и эластичностью очень крошечного плоского листа твердого материала.При определенных обстоятельствах капиллярные силы могут преодолевать упругое сопротивление листа изгибу.

Эту взаимосвязь можно использовать для создания «капиллярного оригами» или трехмерных структур. Когда капля жидкости помещается на плоский лист, последняя может спонтанно инкапсулировать первую из-за поверхностного натяжения. Капиллярное оригами может принимать другие формы, включая сморщивание, коробление или самоскладывание в другие формы. Конкретная геометрическая форма, которую в конечном итоге принимает трехмерная капиллярная структура оригами, определяется как химическим составом плоского листа, так и жидкостью, а также тщательным проектированием формы и размера листа.

Однако у этих маленьких устройств есть одна большая проблема. «Эти обычные самособирающиеся структуры оригами не могут быть полностью сферическими и всегда будут иметь прерывистые границы или то, что вы могли бы назвать «краями», в результате исходной двумерной формы листа», — сказал Квангсок Парк, ведущий исследователь. на проекте. Он добавил: «Эти края могут оказаться дефектами в будущем, которые могут выйти из строя из-за повышенного стресса». Также известно, что несферические частицы более невыгодны, чем сферические частицы, с точки зрения поглощения клетками.

Профессор Хёнсу Ким из Департамента машиностроения объяснил: «Вот почему исследователи давно охотятся за веществами, которые могли бы создать полностью сферическую капиллярную структуру оригами».

Авторы исследования впервые продемонстрировали такую ​​оригами-сферу. Они показали, что вместо плоского листа рост кристаллов соли может выполнять действие капиллярного оригами аналогичным образом. То, что они называют «кристаллическим капиллярным оригами», самопроизвольно создает гладкую сферическую оболочку из тех же эффектов поверхностного натяжения, но теперь спонтанное инкапсулирование жидкости определяется упруго-капиллярными условиями выращивания кристаллов.

Здесь термин «соль» относится к соединению одного положительно заряженного иона и другого отрицательно заряженного иона. Поваренная соль, или хлорид натрия, является лишь одним из примеров соли. Исследователи использовали четыре другие соли: пропионат кальция, салицилат натрия, тетрагидрат нитрата кальция и бикарбонат натрия, чтобы покрыть водно-масляную эмульсию. Обычно соль, такая как хлорид натрия, имеет кубическую кристаллическую структуру, но эти четыре соли вместо этого образуют пластинчатые структуры в виде кристаллитов или «зерен» (микроскопическая форма, которая формируется, когда кристалл начинает расти).Затем эти пластины самостоятельно собираются в идеальные сферы.

С помощью сканирующей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа они исследовали механизм такого образования и пришли к выводу, что именно «давление Лапласа» заставляет кристаллитные пластины покрывать поверхность эмульсии. Давление Лапласа описывает разницу давлений внутри и снаружи изогнутой поверхности, вызванную поверхностным натяжением на границе раздела двух веществ, в данном случае между соленой водой и нефтью.

Исследователи надеются, что эти самособирающиеся наноструктуры можно будет использовать для инкапсуляции в различных секторах, от пищевой промышленности и косметики до доставки лекарств и даже крошечных медицинских устройств.

Eiffy Crystal Origami Five Butterfly Y Ограниченная по времени пробная цена Ожерелье с насекомыми для женщин

Eiffy Crystal Origami Five Butterfly Y Ограниченная по времени пробная цена Ожерелье с насекомыми для женщин

$ 6 Eiffy Crystal Origami Five Butterfly Y Ожерелье для женщин Оригами, пять, 6 долларов, одежда, обувь, украшения, женщины, украшения, насекомые, бабочки, / унифицированный интерьер-регионы / регион-2, Eiffy, женщины, Y, iaol.co.in, Ожерелье, для Eiffy Crystal Origami Five Butterfly Y Ограниченная по времени пробная цена Ожерелье с насекомыми для женщин $ 6 Eiffy Crystal Origami Five Butterfly Y Ожерелье для женщин Одежда с насекомыми, Обувь Ювелирные изделия Женские украшения Eiffy Crystal Origami Five Butterfly Y Ограниченная по времени пробная цена Ожерелье с насекомыми для женщин Crystal, Origami, Five, $ 6, одежда, обувь, украшения, женщины, украшения, насекомые, бабочки, / unified-interior-regions / region-2, Eiffy, Women, Y, iaol.co.in, ожерелье, для

6 долларов

Eiffy Crystal Origami Five Butterfly Y Ожерелье для женщин Насекомое

• ►►►MATERIALâ ¤—Экологически чистый цинковый сплав, бессвинцовый усилитель; без никеля, он никогда не выцветает и не вызывает аллергии на вашей коже!
• ►►► UNIQUEâ ¤: подвеска в виде бабочки, красиво сделанная вручную из хрусталя, серебра и покрытая эмалью для достижения мерцающего, прочного результата!
• ►►►STYLE-â ¤:Бабочка – символ мощных трансформаций.Он поможет вам быть чувствительными к вашим личным циклам расширения и роста, а также к красоте непрерывной жизни!
«ли» â–ºâ–ºâ–ºDESIGNâ ¤—Привлекательный и привлекательный, элегантный стиль. Очаровательное ожерелье, которое станет отличным подарком для всех, в том числе и для вас самих! подходит к любому стилю одежды, формальный; повседневный; мода; модный или винтажный. Он просто идеально сочетается с любой одеждой. «ли» â–ºâ–ºâ–ºИдеальный подарок ¤—Ожерелье показывает ваш хороший вкус и индивидуальность, хороший подарок для вашей матери, любовника, семьи, дочери, подруги на день рождения, годовщину свадьбы, День святого Валентина, Рождество, вечеринку, день отца, и любые другие большие дни.

|||

Описание продукта

Название предмета: Хрустальное оригами пять бабочек Y ожерелье для женщин насекомое животное длинная кисточка кулон ожерелья ювелирные изделия для вечеринок

Используйте безопасный материал, безвредный для человеческого тела. Это здоровый выбор. Отличное гальваническое мастерство, прочное сохранение цвета. Просто выберите наиболее подходящий для вас.»br»»br»Метод обслуживания и защиты ювелирных изделий «br»»br»Ношение： «br» a.Не подвергайте украшения воздействию высокой температуры или прямых солнечных лучей.
б. Не надевайте украшения, когда принимаете душ или плаваете, а также держите украшения подальше от парфюмерии, косметики и любых других химикатов.»br» c. Не носите вместе разные украшения.

Очистка:
Наилучший метод очистки – это салфетка для полировки ювелирных изделий. «br»Кроме того, украшения можно чистить разбавленным жидким мылом и щеткой для перил.»br»»br»Хранение: Храните украшения отдельно. И перед хранением, пожалуйста, протрите украшения мягкой тканью.»br»»br»»b»Выберите нашу причину:»br»Vercret фокусируется на женской красоте, наша цель — сделать моду проще»br» Может быть, мы просто незнакомцы, которые никогда не встречались, но украшения помогают нам понять каждого другое «br»Мы идентифицируем друг друга с помощью украшений и доверяем друг другу, чтобы получить удовлетворение и счастье»br»Если у вас есть какие-либо вопросы о наших продуктах, просто свяжитесь с нами!

Ожерелье Eiffy Crystal Origami Five Butterfly Y для женщин с насекомыми

Как показано в: Декарбонизация и модернизация

Измеренная экономия воды, энергии и выбросов углерода.От первоначального аудита, создания бизнес-кейса до финансирования и окончательной подгонки. Наши решения поддерживают ваши здания и персонал.
Узнать больше

Клуб

Вам посчастливилось получить членство в Home или Small Business & Trade Club? Введите свой уникальный код и нажмите «Применить купон».
Активировать здесь

Заявления о воздействии

От зала заседаний до каждой комнаты в вашем доме — оцените положительное влияние ваших покупок на сокращение потребления энергии, воды, углерода и пластика.
Скоро

Клуб

Готовы сэкономить еще больше? Наши Home & Trade Clubs гарантируют непревзойденные цены! Как будто вы покупаете напрямую у производителей. Экономьте деньги – и планету!
Присоединяйтесь

Купить для торговли и бизнеса

Проверенные продукты, надежные бренды, лучшая цена и рекомендации. Быстрая доставка с нашего склада в Великобритании. Долговечная качественная продукция от ведущих производителей по привлекательным ценам.
Купить сейчас

Купить для дома

Все, что вам нужно, в одном месте, чтобы помочь вам вести более экологичный образ жизни, сократить счета за электроэнергию и воду и сократить выбросы углекислого газа.
Купить сейчас

Ассортимент продукции Cheeky Panda

Посмотреть

Большие и негабаритные лампы накаливания

Крупногабаритные лампы накаливания подчеркнут стиль вашего интерьера, полностью преобразив внешний вид любой комнаты.

Посмотреть

Освещение шкафа и гардероба

Сделайте еще один шаг вперед в своем дизайне интерьера — экологично, с изысканным шкафом с батарейным питанием и подсветкой шкафа.

Посмотреть

Экономия воды

Небольшие изменения приносят большую экономию на счетах за воду. Наши экологические смесители, аэраторы и души гарантируют экологичность без компромиссов.

Посмотреть

Энергосбережение

Ищете ли вы энергоэффективный холодильник или светодиодные лампы, у нас есть все самые лучшие энергосберегающие товары для дома.

Посмотреть

Погасите свои легкие свопы

Посмотреть

Умные туалеты

Предоставьте пользователям туалетных комнат гигиенические условия при одновременном снижении потребления энергии и воды

Посмотреть

Оздоровительное и устойчивое рабочее место

Позаботьтесь о своих сотрудниках и посетителях с помощью нашего ассортимента товаров для здоровья и устойчивого развития

Посмотреть

Экологически чистые продукты

У нас есть все необходимые товары для эко-домашнего хозяйства и многое другое, готовые и ожидающие отправки вам с нашего склада в Великобритании.

Посмотреть

Светодиодное освещение

Светодиодное освещение

может сократить ваши счета до 85% — ознакомьтесь с нашим ассортиментом для жилых и коммерческих помещений, охватывающих все области применения

Посмотреть

Комплект Easy Swap Box

Комплект Easy Swap Box

Посмотреть 150 продуктов

Зарядка электромобиля

Станции быстрой зарядки электромобилей переменным и постоянным током идеально подходят для дома, офиса и общественных мест

Посмотреть

Эко душ

Включая полные системы для ручных душей, стационарные душевые головки, термостатические клапаны, шланги и аксессуары — все от основных брендов

Посмотреть

Эко-смесители

Бытовое и коммерческое использование, от смесителей для кухни, раковины и ванны до сенсорных и кнопочных смесителей – широкий ассортимент от лучших брендов

Посмотреть 51 товаров

Туалеты и писсуары

Ассортимент унитазов и писсуаров, предназначенных для сокращения расходов на воду и электроэнергию

Посмотреть

Аэраторы и ограничители потока

Самый простой и дешевый способ сократить потребление воды на 60 %

Посмотреть 2 продукта

Умный дом

Сделайте ваш дом по-настоящему связанным с нашей линейкой интеллектуальных продуктов, выбранных нами за простоту настройки.

Посмотреть

Оптимизация напряжения

Сэкономьте до 19 % на счетах за электроэнергию за счет снижения напряжения на электрооборудовании без потери эффективности

Посмотреть

Интеллектуальное управление зданием

Будьте умнее и экономьте энергию с помощью интеллектуального управления отоплением, вентиляцией и кондиционированием воздуха

Посмотреть

Эко-сушилки для рук

Сократите расходы на электроэнергию и сократите количество отходов с помощью наших долговечных и энергоэффективных сушилок для рук Eco от основных брендов

Посмотреть 44 товаров

Управление освещением

Датчики, переключатели, диммеры и пульты дистанционного управления, обеспечивающие максимальное энергосбережение для любого применения

Посмотреть 58 продуктов

Решения для отопления

Энергоэффективные решения для отопления, призванные сократить расходы на электроэнергию и сэкономить деньги

Посмотреть

Энергосберегающие приборы

Все наши приборы имеют самые высокие рейтинги энергоэффективности

Посмотреть

Эко вкусности

Подарки и поощрения за сокращение потребления энергии и воды дома и на работе

Просмотр 1 Товар

В совокупности SaveMoneyCutCarbon спасла наших клиентов…

Экономия воды

0

литров воды

Снижение содержания углерода

0

миль на среднем бензиновом автомобиле

Мы верим, что это только начало… Присоединяйтесь к нашему путешествию и измените мир к лучшему

Служба поддержки клиентов

Для общей консультации по продукту или вашему заказу:

Интеллектуальная компания по управлению ресурсами. Юридический адрес: Abbeystone House, 36 Eastern Way, Bury St Edmunds, Suffolk, IP32 7AB.

© 2021 SaveMoneyCutCarbon.com. Все права защищены.

Наноразмерный самособирающийся кристалл соли «орига» | Eurekalert!

изображение: Рост кристаллов на границе раздела водонефтяных эмульсий, насыщенных пропионатом кальция, в зависимости от исходного размера эмульсии.Начальный диаметр эмульсии в масле 496 мкм (а), 135 мкм (б) и 34 мкм (в). посмотреть больше 

Кредит: KAIST

Исследователи разработали метод, с помощью которого они могут спонтанно инкапсулировать микроскопические капельки воды и масляной эмульсии в крошечную сферу, сделанную из кристаллов соли, что-то вроде миниатюрного футбольного мяча-оригами, наполненного жидкостью. Процесс, который они называют «кристаллическим капиллярным оригами», может использоваться в самых разных областях, от более точной доставки лекарств до наноразмерных медицинских устройств.Метод описан в статье, опубликованной в журнале Nanoscale 21 сентября.

Капиллярное действие, или «капиллярность», будет знакомо большинству людей как то, как вода или другие жидкости могут двигаться вверх по узким трубкам или другим пористым материалам, казалось бы, вопреки силе тяжести (например, в сосудистых системах растений или даже больше). просто нанесение краски между ворсинками кисти). Этот эффект обусловлен силами сцепления (стремление молекул жидкости слипаться), что приводит к поверхностному натяжению, и адгезией (их стремлением прилипать к поверхности других веществ).Сила капиллярности зависит от химического состава жидкости, химического состава пористого материала и других сил, действующих на них обоих. Например, жидкость с более низким поверхностным натяжением, чем у воды, не сможет удержать водомерку.

Менее известно родственное явление, упруго-капиллярность, в котором используется взаимосвязь между капиллярностью и эластичностью очень крошечного плоского листа твердого материала. При определенных обстоятельствах капиллярные силы могут преодолевать упругое сопротивление листа изгибу.

Эту взаимосвязь можно использовать для создания «капиллярного оригами» или трехмерных структур. Когда капля жидкости помещается на плоский лист, последняя может спонтанно инкапсулировать первую из-за поверхностного натяжения. Капиллярное оригами может принимать другие формы, включая сморщивание, коробление или самоскладывание в другие формы. Конкретная геометрическая форма, которую в конечном итоге принимает трехмерная капиллярная структура оригами, определяется как химическим составом плоского листа, так и жидкостью, а также тщательным проектированием формы и размера листа.

Однако у этих маленьких устройств есть одна большая проблема. «Эти обычные самособирающиеся структуры оригами не могут быть полностью сферическими и всегда будут иметь прерывистые границы или то, что вы могли бы назвать «краями», в результате исходной двумерной формы листа», — сказал Квангсок Парк, ведущий исследователь. на проекте. Он добавил: «Эти края могут оказаться дефектами в будущем, которые могут выйти из строя из-за повышенного стресса». Также известно, что несферические частицы более невыгодны, чем сферические частицы, с точки зрения поглощения клетками.

Профессор Хёнсу Ким из Департамента машиностроения объяснил: «Вот почему исследователи давно охотятся за веществами, которые могли бы создать полностью сферическую капиллярную структуру оригами».

Авторы исследования впервые продемонстрировали такую ​​оригами-сферу. Они показали, что вместо плоского листа рост кристаллов соли может выполнять действие капиллярного оригами аналогичным образом. То, что они называют «кристаллическим капиллярным оригами», спонтанно создает гладкую сферическую оболочку капсулы из тех же самых эффектов поверхностного натяжения, но теперь спонтанное инкапсулирование жидкости определяется упруго-капиллярными условиями выращивания кристаллов.

Здесь термин «соль» относится к соединению одного положительно заряженного иона и другого отрицательно заряженного иона. Поваренная соль, или хлорид натрия, является лишь одним из примеров соли. Исследователи использовали четыре другие соли: пропионат кальция, салицилат натрия, тетрагидрат нитрата кальция и бикарбонат натрия, чтобы покрыть водно-масляную эмульсию. Обычно соль, такая как хлорид натрия, имеет кубическую кристаллическую структуру, но эти четыре соли вместо этого образуют пластинчатые структуры в виде кристаллитов или «зерен» (микроскопическая форма, которая формируется, когда кристалл начинает расти).Затем эти пластины самостоятельно собираются в идеальные сферы.

Используя сканирующую электронную микроскопию и рентгеноструктурный анализ, они исследовали механизм такого образования и пришли к выводу, что именно «давление Лапласа» заставляет кристаллитные пластины покрывать поверхность эмульсии. Давление Лапласа описывает разницу давлений внутри и снаружи изогнутой поверхности, вызванную поверхностным натяжением на границе раздела двух веществ, в данном случае между соленой водой и нефтью.

Исследователи надеются, что эти самособирающиеся наноструктуры можно будет использовать для инкапсуляции в различных секторах, от пищевой промышленности и косметики до доставки лекарств и даже крошечных медицинских устройств.

###

— Публикация

Kwangseok Park, Hyoungsoo Kim «Кристаллическая капиллярная оригами-капсула с самособирающейся наноструктурой», Nanoscale , 13(35), 14656-14665 (DOI: 10.1039/d1nr02456f)

-Профиль

Профессор Хёнсу Ким

Лаборатория жидкостей и интерфейсов

http://фил.kaist.ac.

₽

Факультет машиностроения

КАИСТ

— О КАИСТ

KAIST — первый и лучший научно-технический университет в Корее. KAIST был основан в 1971 году правительством Кореи для обучения ученых и инженеров, приверженных индустриализации и экономическому росту в Корее.

С тех пор KAIST и его 67 000 выпускников стали воротами в передовые науки и технологии, инновации и предпринимательство.KAIST стал одним из самых инновационных университетов, в котором обучается более 10 000 студентов в пяти колледжах и семи школах, в том числе 1039 иностранных студентов из 90 стран.

На пороге своего полувекового юбилея в 2021 году KAIST продолжает стремиться сделать мир лучше, занимаясь образованием, исследованиями, предпринимательством и глобализацией.

Для получения дополнительной информации о KAIST посетите веб-сайт http://www.kaist.ac.kr/en/.

---

---

Метод исследования

Метаанализ

Предмет исследования

Неприменимо

Название статьи

Хрустальная капиллярная капсула оригами с самособирающейся наноструктурой

Дата публикации статьи

21 сентября 2021 г.

Отказ от ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за достоверность новостных сообщений, размещенных на EurekAlert! содействующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.

Хрустальная капиллярная оригами-капсула с самособирающимися наноструктурами

Механизм самосборки эласто-капилляров открывает новые области применения в микро- и нанотехнологиях, предоставляя трехмерные сборочные структуры с двумерными плоскими элементарными ячейками, так называемое капиллярное оригами. На сегодняшний день окончательная структура разработана на основе заданной формы и размера элементарной ячейки. Здесь мы показываем, что пластинчатые кристаллиты соли растут и покрывают поверхность раздела эмульсии под действием давления Лапласа.В конце концов, он создает сферическую капсулу с самособирающимися наноструктурами. Капсула и кристаллит исследованы методами сканирующей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Чтобы объяснить механизм, мы разрабатываем теоретическую модель для оценки размера капсулы, толщины оболочки и условий, необходимых для формирования оболочки на основе тонкостенного сосуда высокого давления. Предлагаемое кристаллическое капиллярное оригами позволяет изготовить трехмерную самособирающуюся соляную капсулу без каких-либо сложных процедур.Мы считаем, что он может предложить новый физико-химический путь для спонтанного и легкого изготовления водорастворимых частиц-носителей.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент.