Stel je een kleine, geïmproviseerde spier die een zwevend gewicht van 20 milligram kan krullen bij blootstelling aan licht. Onder de juiste omstandigheden, een andere mix heeft genoeg kracht om een ​​dubbeltje te bankdrukken.

Onderzoekers van de Washington University in St. Louis hebben een volledig nieuw soort kunstmatige moleculaire spier gemaakt van een polymeer dat relatief gezien in staat is om zwaar te tillen.

"De externe trigger die het activeringsproces initieert, kan zoiets eenvoudigs zijn als zonlicht, " zei Jonathan Barnes, assistent-professor scheikunde in Arts &Sciences en een Packard Fellow uit 2017. Het nieuwe polymeer, die van kleur verandert en samentrekt bij blootstelling aan zichtbaar licht, wordt beschreven in een publicatie van 24 januari van een speciale uitgave van Macromolecular Rapid Communications.

Barnes en zijn team hebben gewerkt aan hun proof-of-concept voor het nieuwe redox-responsieve polymeer - een die samentrekt wanneer elektronen worden toegevoegd (reductie) en uitzet wanneer ze worden weggenomen (oxidatie) - sinds hij minder dan twee jaar geleden begon aan de Washington University. jaren geleden.

Laatste val, ze toonden aan dat ze met succes hun functionele polymeer konden bouwen en opnemen in een buigzaam, bulkmateriaal dat een hydrogel wordt genoemd. Het resulterende materiaal kan worden samengetrokken tot een tiende van het oorspronkelijke volume en vervolgens worden uitgebreid tot zijn oorspronkelijke grootte, zijn lange polymeerketens vouwen en ontvouwen zich subtiel in drie dimensies.

De hydrogel bevat in totaal 5 procent polymeer, waarvan slechts 5 procent de nieuwe, functioneel polymeer; de rest is gewoon water. Dit betekent dat slechts 0,25 procent van de totale hydrogel het functionele polymeer is, een ongelooflijk laag aantal in het veld.

"Als je naar andere materialen kijkt, het actieve polymeer zit meestal in elke schakel, " zei Angelique Greene, een postdoctoraal onderzoeker in het Barnes-laboratorium. "De onze is erg verdund, en toch presteerden onze hydrogels nog steeds met een vergelijkbaar en soms zelfs beter tempo."

Hun eigen gewicht trekken

Maar de moleculaire spier moest nog worden geactiveerd door chemische reductie in een natte oplossing. Om de klotsfactor aan te pakken, de onderzoekers introduceerden vervolgens zichtbaar-lichtabsorberende fotoredox-katalysatoren, ingebed in de gel, en verplaatsten hun spieren naar droge grond.

Het was tijd voor een krachttest.

"We wilden aantonen dat het niet alleen van vorm kan veranderen, of buigen, of draai een andere kleur, maar echt werken, ' zei Barnes.

De onderzoekers plakten hun best presterende gel op een stuk zwarte elektrische tape, en dan een kleine, licht stuk aluminiumdraad met een klein gewicht van 20 milligram op de bodem. Ze stelden het bloot aan een blauw licht, en, na vijf uur, het polymeer had het opgehangen gewicht enkele centimeters van zijn uitgangspositie verplaatst.

"Hier hebben we veel fijne controle, " zei Kevin Liles, een doctoraat kandidaat in de chemie die meeschreef aan de nieuwe studie, samen met Groen. "We kunnen het polymeer een bepaalde tijd bestralen, stop het bij een bepaald aantal graden (van bocht), of een bepaald deel bestralen en het in bepaalde gebieden laten samentrekken."

Vijf uur lijkt misschien een lange tijd om een ​​paar centimeter te bewegen, maar Barnes maakt zich geen zorgen dat Moeder Natuur het sneller doet.

"Als je ooit een bloem of plant aan de kant van een berg hebt gezien, het buigt altijd naar waar het licht is, Barnes zei. "De natuur vindt een manier om zich aan te passen om de hoeveelheid lichtbron die op de bloembladen valt te optimaliseren. Dit materiaal doet in principe precies hetzelfde."

De onderzoekers bekijken nu hoe ze hun nieuwe functionele polymeer kunnen combineren met andere die sterker zijn en zwaardere lasten kunnen heffen. Ze willen ook uitzoeken hoe ze de kunstmatige moleculaire spieren kunnen aansturen met behulp van elektroden. Deze actie zou vergelijkbaar zijn met de manier waarop elektrische signalen in het lichaam worden verzonden, en kan de weg vrijmaken voor toekomstige prothetische toepassingen.