Эластичные материалы – материалы, обладающие способностью восстанавливать свою форму после снятия напряжения.
Особенности молекулярного строения: на молекулярном уровне эластичные материалы состоят из множества хаотично переплетённых скрученных в спираль нитей. При растяжении такие спирали раскручиваются, уменьшая число межатомных нековалентных взаимодействий внутри спирали. Если убрать растягивающую силу, то спирали скручиваются обратно в плотный клубок. До тех пор, пока нити не смещаются друг относительно друга, материал будет принимать первоначальную форму.
Примеры: натуральный каучук – является типичным представителем эластомеров, который получают из молочного латекса, секретируемого каучуковым деревом и другими растениями, образуется из длинных полимеров изопрена. Поскольку эти углеводородные цепи просто расположены параллельно, то возможны определённые необратимые смещения их друг относительно друга, что нарушает эластичность.
В 1839 году Чарльз Гудьир изобрел способ предотвращения таких смещений, названный вулканизацией. Резина нагревается вместе с серой, которая образует множество дисульфидных мостиков между изопреновыми цепями. Образующаяся сеть со множеством кросс-линков чрезвычайно устойчива, поэтому вулканизированная резина может многократно деформироваться без необратимой потери свойства восстанавливать первоначальную форму.
Белок эластин, который обеспечивает эластичность кожи, использует аналогичный принцип сохранения эластичности. Эластин состоит из секций, которые богаты пролином и имеют ту самую спиральную структуру, которая и растягивается при растяжении кожи. Между этими спиралями находятся короткие сегменты, богатые лизином. Боковые цепи лизинов образуют кросс-линки между соседними цепями, формируя эластичную сеть, которая растягивается при наложении напряжения и восстанавливает структуру после снятия напряжения.
Похожий подход может быть использован при разработке гидрогелей. Природные гидрогели, например, на основе желатина, хорошо известны. При охлаждении нагретого водного раствора желатина происходит захват молекул воды желатином, и образуется гель. Этот процесс обратим. Гель может быть разжижен нагреванием и снова конденсирован охлаждением.
Молекулярный механизм гелеобразования недостаточно изучен, но исследователи стараются разработать и улучшить молекулы с такими свойствами. Подобно эластичным материалам гели образуют длинные неупорядоченные цепи, которые соединяются между собой в определённых точках. При этом такие соединения не должны быть постоянными, они должны образовываться в геле, но должны разрушаться при плавлении геля. Неупорядоченные участки, в свою очередь, должны быть доступны для молекул растворителя во время формирования геля, и должны иметь достаточно места для конденсации при охлаждении. Поэтому они не должны образовывать упорядоченные структуры подобно структурам, которые образуются при фолдинге белков.
Давид Тирел с сотрудниками разработал искусственную белковую систему для тестирования такой методики при проектировании гидрогелей. Разработанные ими белки состоят из двух частей. На каждом из концов белковой нити расположены аминокислотные последовательности, которые при комнатной температуре формируют альфа-спирали, у которых вдоль одной из сторон расположены лейцины. Если расположить параллельно две такие альфа-спирали, то образуются так называемая лейциновая застёжка, соединяющая две спирали вместе. Лейциновая застёжка была впервые открыта в бактериальных ДНК-связывающих белках. Она соединяет две подобные альфа-спирали, но она легко "расстёгивается" при нагревании. Между двумя альфа-спиралями "застёжки" поместили длинную цепь, которая содержала много глицина, пролина и глутаминовой кислоты. Этот участок образует длинную неупорядоченную в широком диапазоне температур структуру, соединяющую две "застёжки". Как и предполагалось, сконструированные таким образом искусственные белки образовывали гель после нагрева и последующего охлаждения. Модульность такой системы делает её перспективной для разработки других гелеобразующих систем с программируемыми свойствами, если изменять длину и специфику различных модулей.