Naturen giver inspiration til gennembrud i selvregulerende materialer

Forskere har længe søgt at opfinde materialer, der kan reagere på den ydre verden i forudsigelige, selvregulerende måder. Nu, ny forskning udført ved University of Massachusetts Amherst og optræder i Proceedings of the National Academy of Sciences bringer os et skridt tættere på det mål. For deres inspiration, videnskabsmændene så til naturen.

Lampretter svømmer, heste går, og insekter, der flyver:hver af disse adfærd er muliggjort af et netværk af oscillatorer - mekanismer, der producerer en gentagen bevægelse, såsom at vride en hale, tage et skridt, eller flakser med en vinge. Hvad mere er, disse naturlige oscillatorer kan reagere på deres omgivelser på forudsigelige måder. Som svar på forskellige signaler, de kan hurtigt ændre hastighed, skifte mellem forskellige tilstande, eller stoppe helt med at ændre. "Spørgsmålet, " siger Hyunki Kim, avisens medhovedforfatter, sammen med Boston Universitys Subramanian Sundaram, en nylig modtager af en Ph.D i polymervidenskab og ingeniørvidenskab fra UMass Amherst, "er kan vi lave bløde materialer, såsom plastik, polymerer, og nanokompositstrukturer, der kan reagere på samme måde?" Svaret, som holdet dokumenterer, er et endegyldigt ja.

En af de vigtigste vanskeligheder, som holdet løste, var at få en række oscillatorer til at arbejde sammen med hinanden, en forudsætning for koordineret, forudsigelig bevægelse. "Vi har udviklet en ny platform, hvor vi med bemærkelsesværdig præcision kan styre koblingen af ​​oscillatorer, " siger Ryan Hayward, James og Catherine Patten er uddannet professor i kemisk og biologisk ingeniørvidenskab ved University of Colorado Boulder, og en af ​​avisens medforfattere. Den platform er afhængig af endnu en naturlig kraft, kendt som Marangoni-effekten, som er et fænomen, der beskriver bevægelsen af ​​faste stoffer langs grænsefladen mellem to væsker drevet af ændringer i overfladespændingen. En klassiker, Eksempler fra den virkelige verden på Marangoni-effekten sker hver gang du vasker op. Når du sprøjter opvaskemiddel i en gryde fyldt med vand, hvis overflade er jævnt drysset krummerne fra din aftensmad, du kan se krummerne flygte til kanterne af panden, når sæben rammer vandet. Dette skyldes, at sæben ændrer vandets overfladespænding, og krummerne trækkes væk fra områder med lavt, sæbeagtig overfladespænding, mod grydens kanter, hvor overfladespændingen forbliver høj.

"Det hele kommer ned til at forstå rollen af ​​grænseflader og den dybe virkning af at kombinere polymere og metalliske materialer i kompositstrukturer, " siger Todd Emrick, medforfatter og professor i polymervidenskab og ingeniørvidenskab ved UMass. I stedet for sæbevand og pander, holdet brugte hydrogel nanokompositskiver bestående af polymergeler og nanopartikler af guld, som var følsomme over for ændringer i lys og temperatur. Resultatet var, at holdet var i stand til at konstruere en bred vifte af oscillatorer, der kunne bevæge sig i harmoni med hinanden og reagere forudsigeligt på ændringer i lys og temperatur. "Vi kan nu konstruere kompleks koblet adfærd, der reagerer på eksterne stimuli, " siger Kim.