Onderzoekers hebben met succes een materiaal getraind om te reageren op een oorspronkelijk neutrale stimulus, een gel die kan worden geleerd om te smelten zonder verhitting. Hun werk, onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie , werd geïnspireerd door het concept van klassieke conditionering in de gedragspsychologie, beter bekend als het hondenexperiment van Pavlov.

Om te onderzoeken of klassieke conditionering kan worden bereikt in kunstmatige materialen, de onderzoekers maakten een vaste gel op basis van agarose, een stof die gewoonlijk wordt gewonnen uit zeewier, gemengd met water en gemodificeerde gouden nanodeeltjes. Als er rood en blauw licht op deze gel schijnt, niks gebeurt. Als je de gel smelt door verhitting, koel het weer af zodat het weer stolt, en laat er dan rood en blauw licht op schijnen, er gebeurt ook niets spannends. Maar als je de gel smelt terwijl je hem verlicht met rood en blauw licht, koel het dan weer af tot een gel, de gel zal spontaan smelten de volgende keer dat je er rood en blauw licht op schijnt. Het heeft dus "geleerd" te reageren op een nieuwe stimulus.

In het beroemde klassieke conditioneringsexperiment van Ivan Pavlov in de experimentele psychologie dat zich bezighoudt met eenvoudige vormen van leren, een hond kan worden getraind om te kwijlen als hij een bel hoort. Pavlov leerde de hond om zich zo te gedragen door elke keer dat hij de hond voedde een bel te laten rinkelen - de hond associeerde het geluid van de bel met zijn eten en begon te kwijlen als hij de bel hoorde rinkelen. De gel ontwikkeld door teams van Aalto University en Tampere University bootst dit proces na met de verwarming die overeenkomt met het voedsel en het gekleurde licht dat overeenkomt met de bel.

"Conceptueel is dit erg nieuw, er is niet echt iemand die materialen maakt die deze Pavloviaanse reactie laten zien. We waren geïnteresseerd in het introduceren van de elementaire concepten van leren in kunstmatige materialen", legt Dr. Hang Zhang uit, de postdoc die het materiaal heeft ontwikkeld en die de eerste auteur is van het artikel van juli in Nature Communications. Als lid van de onderzoeksgroep Molecular Materials en het HYBER Centre of Excellence in Aalto, hij werkt aan biologisch geïnspireerde materialen. Naast Dr. Hang Zhang, het onderzoeksteam omvatte Dr. Hao Zeng en Prof. Arri Priimägi van Tampere University, en Prof. Olli Ikkala van Aalto University. Het project werd ondersteund door twee door de European Research Council (ERC) gefinancierde projecten, FOTOTUNE en GEDREVEN.

De gel kan worden getraind omdat de gouden nanodeeltjes in het mengsel gevoelig zijn voor de zuurgraad van hun omgeving. De nanodeeltjes worden aanvankelijk willekeurig over de gel verspreid. Als u de gel smelt en stolt zonder verlichting, ze blijven willekeurig verdeeld. Echter, als je de gel smelt terwijl je hem verlicht met blauw en rood licht, de nanodeeltjes plakken aan elkaar en vormen kleine kettingen. Dit gebeurt dankzij een fotozuur, een laatste "geheim" ingrediënt in de gel. Het fotozuur maakt de gel zuurder wanneer het gekleurde licht erop schijnt, en wanneer dit gebeurt in een gesmolten gel, het zorgt ervoor dat de nanodeeltjes zich in ketens vormen. Als je blauw en rood licht laat schijnen op de gel met kettingen van gouden nanodeeltjes, de ketens warmen op een manier die individuele nanodeeltjes zelf niet doen, door een proces dat plasmonische koppeling wordt genoemd. Dit vormt een "triggerbaar optisch geheugen". Door de kettingen op te warmen met blauw en rood licht, smelt de gel vanzelf.

De gel kan later ook gemaakt worden om deze training te "vergeten", parallel loopt met de manier waarop leren door mensen kan worden vergeten. De truc is om een ​​combinatie van chemicaliën (ureum en urease) te gebruiken die tijdens de fabricage aan de gel worden toegevoegd, waarbij langzaam ammoniak vrijkomt die de nanodeeltjesketens verbreekt. Ongeveer 12 uur na de training, het materiaal smelt niet meer wanneer het wordt verlicht met licht en verliest zo zijn geheugen.

"Als het gaat om praktische toepassingen, 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."