Kemikere programmerer flydende krystallinske elastomerer til at replikere komplekse vridningsvirkninger blot ved brug af lys

Det menneskelige muskelsystems vridnings- og bøjningsevne muliggør et varieret og dynamisk bevægelsesområde, fra at gå og løbe til at nå og gribe. At replikere noget så tilsyneladende simpelt som at vifte med en hånd i en robot, imidlertid, kræver en kompleks serie af motorer, pumper, aktuatorer og algoritmer. Forskere ved University of Pittsburgh og Harvard University har for nylig designet en polymer kendt som en flydende krystal elastomer (LCE), der kan "programmeres" til både at vride og bøje i nærvær af lys.

Forskningen, offentliggjort i tidsskriftet Videnskabens fremskridt blev udviklet på Pitt's Swanson School of Engineering af Anna C. Balazs, Distinguished Professor of Chemical and Petroleum Engineering og John A. Swanson Chair of Engineering; og James T. Waters, postdoc og avisens første forfatter. Andre forskere fra Harvard Universitys Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering og John A. Paulson School of Engineering omfatter Joanna Aizenberg, Michael Aizenberg, Michael Lerch, Shucong Li og Yuxing Yao.

Disse særlige LCE'er er akirale:strukturen og dens spejlbillede er identiske. Dette er ikke sandt for et chiralt objekt, såsom en menneskelig hånd, som ikke kan overlejres med et spejlbillede af sig selv. Med andre ord, højre hånd kan ikke spontant omdannes til en venstre hånd. Når den achirale LCE udsættes for lys, imidlertid, den kan kontrollerbart og reversibelt dreje til højre eller dreje til venstre, danner både højrehåndede og venstrehåndede strukturer.

"Molekylernes og materialesystemernes chiralitet dikterer ofte deres egenskaber, " Dr. Balazs forklarede. "Evnen til dynamisk og reversibelt at ændre chiralitet eller drive en achiral struktur til en chiral en kunne give en unik tilgang til at ændre egenskaberne af et givet system på farten." Til dato, imidlertid, at opnå dette niveau af strukturel mutabilitet er fortsat en skræmmende udfordring. Derfor, disse resultater er spændende, fordi disse LCE'er i sagens natur er akirale, men kan blive chirale i nærværelse af ultraviolet lys og vende tilbage til akirale, når lyset fjernes."

Forskerne afslørede denne karakteristiske dynamiske adfærd gennem deres computermodellering af en mikroskopisk LCE-stolpe forankret til en overflade i luft. Molekyler (mesogenerne), der strækker sig fra LCE-rygraden, er alle justeret i 45 grader (i forhold til overfladen) af et magnetfelt; ud over, LCE'erne er tværbundet med et lysfølsomt materiale. "Da vi simulerede at skinne et lys i én retning, LCE-molekylerne ville blive uorganiserede, og hele LCE-posten vrides til venstre; skinne den i den modsatte retning, og den drejer til højre, Dr. Waters beskrev. Disse modelleringsresultater blev bekræftet af de eksperimentelle resultater fra Harvard-gruppen.

Går man et skridt videre, forskerne brugte deres validerede computermodel til at designe "kimære" LCE-poster, hvor molekylerne i den øverste halvdel af stolpen er justeret i én retning og er justeret i en anden retning i den nederste halvdel. Med påføring af lys, disse kimære strukturer kan samtidig bøje og vride, efterligner den komplekse bevægelse, som det menneskelige muskelsystem muliggør.

"Dette er meget ligesom hvordan en dukkefører styrer en marionet, men i dette tilfælde tjener lyset som strengene, og vi kan skabe dynamiske og reversible bevægelser gennem koblingskemikalier, optisk, og mekanisk energi, " Dr. Balazs sagde. "At være i stand til at forstå, hvordan man designer kunstige systemer med denne komplekse integration er grundlæggende for at skabe adaptive materialer, der kan reagere på ændringer i miljøet. Især inden for blød robotteknologi, dette er vigtigt for at bygge enheder, der udviser kontrollerbare, dynamisk adfærd uden behov for komplekse elektroniske komponenter."