Pavlovs klassiske konditionering inspirerer materialeforskere

Forskere har med succes trænet et materiale til at reagere på en oprindelig neutral stimulus, en gel, der kan læres at smelte uden behov for opvarmning. Deres arbejde, for nylig udgivet i Naturkommunikation , var inspireret af konceptet klassisk betingning i adfærdspsykologi, bedre kendt som Pavlovs hundeeksperiment.

For at undersøge, om klassisk konditionering kunne opnås i kunstige materialer, forskerne lavede en solid gel baseret på agarose, et stof, der almindeligvis udvindes af tang, blandet med vand og modificerede guldnanopartikler. Når denne gel har rødt og blåt lys skinnede på den, intet sker. Hvis du smelter gelen ved opvarmning, køl det ned igen, så det størkner igen, og derefter skinne rødt og blåt lys på det, der sker heller ikke noget spændende. Men hvis du smelter gelen, mens du belyser den med rødt og blåt lys, køl det derefter ned i en gel, gelen vil spontant smelte næste gang du skinner rødt og blåt lys på den. Den har således "lært" at reagere på en ny stimulus.

I Ivan Pavlovs berømte klassiske konditioneringseksperiment i eksperimentel psykologi, der beskæftiger sig med simple former for læring, en hund kunne trænes til at savle, når den hørte en klokke. Pavlov trænede hunden til at opføre sig sådan ved at ringe med en klokke, hver gang han fodrede hunden – hunden associerede klokkens lyd med dens mad og begyndte at savle, når den hørte klokken ringe. Gelen udviklet af hold fra Aalto Universitet og Tampere Universitet efterligner denne proces med den opvarmning, der svarer til maden og det farvede lys, der svarer til klokken.

"Begrebsmæssigt er dette meget nyt, der er ikke rigtig nogen, der laver materialer, der viser dette pavlovske svar. Vi var interesserede i at introducere de elementære begreber om læring til kunstige materialer." forklarede Dr. Hang Zhang, postdocen, der har udviklet materialet, og som er førsteforfatter på julis papir i Nature Communications. Som medlem af forskningsgruppen Molecular Materials og HYBER Center of Excellence i Aalto, han arbejder på biologisk inspirerede materialer. Udover Dr. Hang Zhang, forskerholdet omfattede Dr. Hao Zeng og Prof. Arri Priimägi fra Tampere Universitet, og prof. Olli Ikkala fra Aalto Universitet. Projektet blev støttet af to European Research Council (ERC) finansierede projekter, FOTOTUNE og KØRT.

Gelen kan trænes, fordi guldnanopartiklerne i blandingen er følsomme over for surheden i deres omgivelser. Nanopartiklerne spredes i starten tilfældigt gennem hele gelen. Hvis du smelter gelen og størkner den uden belysning, de forbliver tilfældigt fordelt. Imidlertid, hvis du smelter gelen, mens du belyser den med blåt og rødt lys, nanopartiklerne klæber sammen og danner små kæder. Dette sker takket være en fotosyre, en sidste "hemmelig" ingrediens i gelen. Fotosyren gør gelen mere sur, når det farvede lys skinner på den, og når dette sker i en smeltet gel, det får nanopartiklerne til at danne kæder. Når du skinner blåt og rødt lys på gelen, der indeholder kæder af guld nanopartikler, kæderne opvarmes på en måde, som individuelle nanopartikler ikke selv gør, skyldes en proces kaldet plasmonisk kobling. Dette danner en "triggerbar optisk hukommelse". At få kæderne til at varme op ved hjælp af blåt og rødt lys får gelen til at smelte sig selv.

Gelen kan senere også laves til at "glemme" denne træning, parallelt med den måde, hvorpå læring kan blive glemt af mennesker. Tricket er at bruge en kombination af kemikalier (urea og urease) tilsat gelen under fremstillingen, som langsomt frigiver ammoniak, der nedbryder nanopartikelkæderne. 12 timer efter træning, materialet smelter ikke længere, når det belyses med lys og mister dermed sin hukommelse.

"Med hensyn til praktiske anvendelser, there is a long way to go for such a conceptually new project." Dr. Zhang laughed. "The important thing is that we can condition artificial materials in a programmed way using external stimuli and play with its memory chemically. We foresee that other types of learning materials can be designed with a wide array of induced properties, and that conditioning could become a general concept in materials science."