Vooruitgang in biomimicry - het creëren van biologische reacties binnen niet-biologische stoffen - zal synthetische materialen in staat stellen zich te gedragen op manieren die typisch alleen in de natuur werden gevonden. Licht is een bijzonder effectief hulpmiddel om levensechte, dynamische reacties binnen een reeks materialen. Het probleem, echter, is dat het toegepaste licht typisch door het monster wordt verspreid en dus, het is moeilijk om het bio-geïnspireerde gedrag te lokaliseren naar het gewenste, bepaalde delen van het materiaal.

Een convergentie van optische, chemische en materiaalwetenschappen, echter, heeft een nieuwe manier opgeleverd om licht te gebruiken om het lokale dynamische gedrag in een materiaal te beheersen. In algemene zin, het verlichte materiaal bootst een vitaal biologisch gedrag na:het vermogen van de iris en pupil in het oog om dynamisch te reageren op het binnenkomende licht. Verder, zodra het licht het monster binnenkomt, het materiaal zelf wijzigt het gedrag van het licht, het vangen binnen gebieden van het monster.

Het laatste onderzoek van de Swanson School of Engineering van de University of Pittsburgh, Harvard University en McMaster University, onthult een hydrogel die kan reageren op optische stimuli en de stimuli in reactie daarop kan wijzigen. De bevindingen van de groep van deze opto-chemo-mechanische transductie werden deze maand gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Tot de Pitt-auteurs behoren Anna C. Balazs, Distinguished Professor of Chemical and Petroleum Engineering en John A. Swanson Chair of Engineering; en Victor V. Yashin, Gastdocent wetenschappelijk onderzoek. Andere leden zijn Joanna Aizenberg, Amos Meeks (co-eerste auteur) en Anna V. Shneidman, Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering en Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences; Ankita Shastri, Harvard Afdeling Scheikunde en Chemische Biologie; en Fariha Mahmood, Derek Morim (co-eerste auteur), Kalaichelvi Saravanamuttu en Andy Tran, McMaster-universiteit, Ontario, Canada.

"Tot een jaar of tien geleden, de voorkeurstoestand voor materialen was statisch. Als je iets hebt gebouwd, de voorkeur had dat een materiaal voorspelbaar en onveranderlijk was, " Dr. Balazs legde uit. "Echter, naarmate de technologie evolueert, we denken op nieuwe manieren na over materialen en hoe we hun dynamische eigenschappen kunnen benutten om ze te laten reageren op externe prikkels.

"Bijvoorbeeld, in plaats van een computer te programmeren om een ​​apparaat een functie te laten uitvoeren, hoe kunnen we chemie combineren, optica en materialen om biologische processen na te bootsen zonder de noodzaak van bedrade processors en complexe algoritmen?"

De bevindingen zetten Dr. Balazs' onderzoek voort met spiropyran (SP)-gefunctionaliseerde hydrogels en de fotogevoelige chromoforen van het materiaal. Hoewel de SP-gel op gelatine lijkt, het is onderscheidend in zijn vermogen om lichtstralen te bevatten en niet te verspreiden, vergelijkbaar met de manier waarop glasvezel passief licht bestuurt voor communicatie. Echter, in tegenstelling tot een eenvoudig polymeer, de met water gevulde hydrogel reageert op het licht en kan de fotonen "vangen" in zijn moleculaire structuur.

"De chromofoor in de hydrogel speelt een belangrijke rol, " legt ze uit. "Bij gebrek aan licht, de gel is gezwollen en ontspannen. Maar bij blootstelling aan licht van een laserstraal over de breedte van een mensenhaar, het verandert de structuur, krimpt en wordt hydrofoob. Dit verhoogt de polymeerdichtheid en verandert de brekingsindex van de hydrogel en vangt het licht op in gebieden die dichter zijn dan andere. Wanneer de laser van de bron wordt verwijderd, de gel keert terug naar zijn normale toestand. Het vermogen van het licht om de gel te beïnvloeden en de gel op zijn beurt om het propagerende licht te beïnvloeden, creëert een prachtige feedbacklus die uniek is in synthetische materialen."

Het meest verrassend, vond de groep dat de introductie van een tweede, parallelle lichtstraal creëert een soort communicatie binnen de hydrogel. Een van de zelfgevangen bundels stuurt niet alleen een tweede bundel aan, maar ook de controle kan gebeuren met een aanzienlijke afstand tussen de twee, dankzij de respons van het hydrogelmedium. Dr. Yashin merkt op dat dit soort controle nu mogelijk is vanwege de evolutie van materialen, niet vanwege de vooruitgang in lasertechnologie.

"De eerste waarneming van zelfopsluiting van licht vond plaats in 1964, maar met zeer grote krachtige lasers in gecontroleerde omstandigheden, " zei hij. "We kunnen dit gedrag nu gemakkelijker bereiken in omgevingen met veel minder energie, en zo het potentiële gebruik van niet-lineaire optica in toepassingen aanzienlijk uit te breiden."

De groep is van mening dat opto-chemo-mechanische reacties een potentiële zandbak vormen voor verkenning van zachte robotica, optische computers en adaptieve optica.

"Er zijn maar weinig materialen die zijn ontworpen met een ingebouwde feedbacklus, " zei Dr. Balazs. "De eenvoud van de reacties biedt een opwindende manier om biologische processen na te bootsen, zoals beweging en communicatie, en nieuwe wegen openen naar het maken van apparaten die niet afhankelijk zijn van menselijke controle."

Dit onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door het US Army Research Office onder Award W911NF-17-1-0351 en door de Natural Sciences and Engineering Research Council, Canadese Stichting voor Innovatie.