Skinner nyt lys over biomimetiske materialer

Fremskridt inden for biomimik-skabelse af biologiske reaktioner inden for ikke-biologiske stoffer-vil gøre det muligt for syntetiske materialer at opføre sig på måder, der typisk kun findes i naturen. Lys er et særligt effektivt værktøj til at udløse livlignende, dynamiske reaktioner inden for en række materialer. Problemet, imidlertid, er, at det påførte lys typisk er spredt i hele prøven og dermed, det er svært at lokalisere den bioinspirerede adfærd til den ønskede, bestemte dele af materialet.

En konvergens mellem optiske, kemi- og materialevidenskab, imidlertid, har givet en ny måde at udnytte lys til at kontrollere den lokale dynamiske adfærd i et materiale. I generel forstand, det belyste materiale efterligner en vital biologisk adfærd:irisens og pupillens evne til at dynamisk reagere på det indgående lys. Desuden, når lyset kommer ind i prøven, selve materialet ændrer lysets adfærd, fanger det inden for områder af prøven.

Den seneste forskning fra University of Pittsburghs Swanson School of Engineering, Harvard University og McMaster University, afslører en hydrogel, der kan reagere på optiske stimuli og ændre stimuli som reaktion. Gruppens fund af denne opto-kemo-mekaniske transduktion blev offentliggjort i denne måned i Procedurer fra National Academy of Sciences .

Pitt -forfatterne omfatter Anna C. Balazs, Fremstående professor i kemi- og petroleumsteknik og John A. Swanson formand for teknik; og Victor V. Yashin, Gæsteforskerassistent. Andre medlemmer omfatter Joanna Aizenberg, Amos Meeks (co-first author) og Anna V. Shneidman, Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering og Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences; Ankita Shastri, Harvard Institut for Kemi og Kemisk Biologi; og Fariha Mahmood, Derek Morim (medforfatter), Kalaichelvi Saravanamuttu og Andy Tran, McMaster University, Ontario, Canada.

"Indtil kun et årti siden, den foretrukne tilstand for materialer var statisk. Hvis du byggede noget, præferencen var, at et materiale var forudsigeligt og uforanderligt, "Dr. Balazs forklarede." Dog, som teknologien udvikler sig, vi tænker på materialer på nye måder, og hvordan vi kan udnytte deres dynamiske egenskaber for at gøre dem lydhøre over for eksterne stimuli.

"For eksempel, i stedet for at programmere en computer til at få en enhed til at udføre en funktion, hvordan kan vi kombinere kemi, optik og materialer for at efterligne biologiske processer uden behov for hard-wired processorer og komplekse algoritmer? "

Resultaterne fortsætter Dr. Balazs 'forskning med spiropyran (SP) -funktionaliserede hydrogeler og materialets fotofølsomme kromoforer. Selvom SP -gelen ligner gelatine, det er karakteristisk i sin evne til at indeholde lysstråler og ikke sprede dem, ligner den måde, fiberoptik passivt styrer lys til kommunikation. Imidlertid, i modsætning til en simpel polymer, den vandfyldte hydrogel reagerer på lyset og kan "fange" fotoner i dens molekylære struktur.

"Kromoforen i hydrogel spiller en vigtig rolle, "forklarer hun." I mangel af lys, gelen er hævet og afslappet. Men når det udsættes for lys fra en laserstråle omkring bredden af ​​et menneskehår, det ændrer strukturen, krymper og bliver hydrofob. Dette øger polymertætheden og ændrer hydrogelens brydningsindeks og fanger lyset i områder, der er tættere end andre. Når laseren fjernes fra kilden, gelen vender tilbage til sin normale tilstand. Lysets evne til at påvirke gelen og gelen igen til at påvirke det formerende lys skaber en smuk feedback -loop, der er unik i syntetiske materialer. "

Mest overraskende, gruppen fandt ud af, at indførelsen af ​​et andet, parallel lysstråle skaber en form for kommunikation inden for hydrogel. En af de selvfangede bjælker styrer ikke kun en anden stråle, men også kontrollen kan ske med en betydelig afstand mellem de to, takket være reaktionen fra hydrogelmediet. Dr. Yashin bemærker, at denne form for kontrol nu er mulig på grund af udviklingen af ​​materialer, ikke på grund af fremskridt inden for laserteknologi.

"Den første observation af selvfangst af lys fandt sted i 1964, men med meget store, kraftfulde lasere under kontrollerede forhold, "sagde han." Vi kan nu lettere opnå denne adfærd i omgivende omgivelser med langt mindre energi, og dermed i vid udstrækning udvide den potentielle anvendelse af ikke-lineær optik i applikationer. "

Gruppen mener, at opto-kemo-mekaniske reaktioner udgør en potentiel sandkasse til udforskning af blød robotik, optisk computing og adaptiv optik.

"Der er få materialer designet med en indbygget feedback loop, "Dr. Balazs sagde." Enkelheden i svarene giver en spændende måde at efterligne biologiske processer som bevægelse og kommunikation, og åbne nye veje mod at skabe enheder, der ikke er afhængige af menneskelig kontrol. "

Denne forskning blev delvis støttet af US Army Research Office under Award W911NF-17-1-0351 og af Natural Sciences and Engineering Research Council, Canadisk Foundation for Innovation.