Ny molekylær muskel reagerer på synligt lys

Forestil dig en lille, interimistisk muskel, der kan krølle en 20 milligram suspenderet vægt, når den udsættes for lys. Under de rette forhold, en anden blanding pakker nok kraft til at bænkpresse en skilling.

Forskere ved Washington University i St. Louis har skabt en helt ny slags kunstig molekylær muskel ud fra en polymer, der er i stand til nogle tunge løft - relativt set.

"Den ydre trigger, der starter aktiveringsprocessen, kan være noget så simpelt som sollys, " sagde Jonathan Barnes, assisterende professor i kemi i Arts &Sciences og en 2017 Packard Fellow. Den nye polymer, som ændrer farve og trækker sig sammen, når de udsættes for synligt lys, er beskrevet i en 24. januar udgivelse af et særnummer af Macromolecular Rapid Communications.

Barnes og hans team har arbejdet på deres proof of concept for den nye redox-responsive polymer - en, der trækker sig sammen, når elektroner tilføjes (reduktion) og udvider sig, når de tages væk (oxidation) - siden han startede på Washington University mindre end to år siden.

Sidste efterår, de demonstrerede, at de med succes kunne bygge deres funktionelle polymer og inkorporere den i en smidig, bulkmateriale kaldet en hydrogel. Det resulterende materiale kunne trækkes sammen til en tiendedel af dets oprindelige volumen og derefter udvides tilbage til dets oprindelige størrelse, dens lange polymerkæder foldes og udfoldes delikat i tre dimensioner.

Hydrogelen indeholder i alt 5 procent polymer, hvoraf kun 5 procent er den nye, funktionel polymer; resten er bare vand. Det betyder, at kun 0,25 procent af den samlede hydrogel er den funktionelle polymer, et utrolig lavt antal i marken.

"Hvis du ser på andre materialer, den aktive polymer er normalt i hvert led, " sagde Angelique Greene, en postdoc i Barnes-laboratoriet. "Vores er meget fortyndet, og alligevel præsterede vores hydrogeler stadig med en sammenlignelig og nogle gange endda bedre hastighed."

Trækker deres egen vægt

Men den molekylære muskel skulle stadig udløses af kemisk reduktion i en våd opløsning. For at håndtere slosh -faktoren, forskerne introducerede derefter fotoredox-katalysatorer, der absorberer synligt lys, indlejret i gelen, og flyttede deres muskler ind på tør jord.

Det var tid til en styrkeprøve.

"Vi ønskede at demonstrere, at det ikke kun kunne ændre form, eller bøje, eller skifte til en anden farve, men faktisk virker, "Sagde Barnes.

Forskerne satte deres bedst ydende gel på et stykke sort elektrisk tape, og derefter vedhæftet en lille, let stykke aluminiumstråd, der holder en lille vægt på 20 milligram på bunden. De udsatte den for et blåt lys, og, efter fem timer, polymeren havde flyttet den suspenderede vægt adskillige centimeter fra sin startposition.

"Her har vi meget fin kontrol, "sagde Kevin Liles, en ph.d. kandidat i kemi, der var med til at skrive det nye studie, sammen med Greene. "Vi kan bestråle polymeren i et vist tidsrum, stop det ved et bestemt antal grader (af bøjning), eller bestråle en bestemt del og få den til at trække sig sammen i visse områder."

Fem timer kan virke som lang tid at bevæge sig et par centimeter, men Barnes er ikke bekymret for, at Moder Natur gør det hurtigere.

"Hvis du nogensinde har set en blomst eller plante på siden af ​​et bjerg, den bøjer sig altid hen imod, hvor lyset er, "Barnes sagde." Naturen finder en måde at tilpasse sig for at optimere mængden af ​​lyskilde, der rammer dens kronblade. Dette materiale gør i princippet nøjagtig det samme."

Forskerne ser nu på, hvordan de kan parre deres nye funktionelle polymer med andre, der er hårdere og er i stand til at løfte tungere belastninger. De vil også finde ud af, hvordan man styrer de kunstige molekylære muskler ved hjælp af elektroder. Denne handling vil ligne den måde, elektriske signaler transmitteres i kroppen, og kunne bane vejen mod fremtidige proteseapplikationer.