Onderzoekers van de Northwestern University hebben een familie van zachte materialen ontwikkeld die levende wezens nabootsen.

Wanneer geraakt met licht, de filmdunne materialen komen tot leven - buigen, roterend en zelfs kruipend op oppervlakken.

Door het Northwestern-team "robotachtige zachte materie" genoemd, " de materialen bewegen zonder complexe hardware, hydrauliek of elektriciteit. De onderzoekers denken dat de levensechte materialen veel taken kunnen uitvoeren, met mogelijke toepassingen in energie, milieusanering en geavanceerde geneeskunde.

"We leven in een tijdperk waarin steeds slimmere apparaten voortdurend worden ontwikkeld om ons te helpen ons dagelijks leven te beheren, " zei Samuel I. Stupp van Northwestern, die de experimentele studies leidde. "De volgende grens ligt in de ontwikkeling van nieuwe wetenschap die inerte materialen tot leven zal brengen voor ons voordeel - door ze te ontwerpen om de mogelijkheden van levende wezens te verwerven."

Het onderzoek wordt op 22 juni gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen .

Stupp is de Board of Trustees Professor of Materials Science and Engineering, Scheikunde, Medicine and Biomedical Engineering aan Northwestern en directeur van het Simpson Querrey Institute. Hij heeft aanstellingen in de McCormick School of Engineering, Weinberg College of Arts and Sciences en Feinberg School of Medicine. George Schatz, de Charles E. en Emma H. ​​Morrison hoogleraar scheikunde in Weinberg, geleide computersimulaties van het levensechte gedrag van de materialen. Postdoctoraal fellow Chuang Li en promovendus Aysenur Iscen, van de Stupp en Schatz laboratoria, respectievelijk, zijn co-eerste auteurs van het papier.

Hoewel het bewegende materiaal wonderbaarlijk lijkt, geavanceerde wetenschap in het spel is. De structuur bestaat uit peptidesamenstellingen op nanoschaal die watermoleculen uit het materiaal afvoeren. Een expert in materiaalchemie, Stupp koppelde de peptide-arrays aan polymeernetwerken die ontworpen waren om chemisch te reageren op blauw licht.

Wanneer licht het materiaal raakt, het netwerk verschuift chemisch van hydrofiel (trekt water aan) naar hydrofoob (weerstaat water). Terwijl het materiaal het water door zijn peptide "buizen verdrijft, " het trekt samen - en komt tot leven. Als het licht uit is, water komt weer in het materiaal, die uitzet als het terugkeert naar een hydrofiele structuur.

Dit doet denken aan de omkeerbare samentrekking van spieren, wat Stupp en zijn team inspireerde om de nieuwe materialen te ontwerpen.

"Van biologische systemen, we hebben geleerd dat de magie van spieren is gebaseerd op de verbinding tussen assemblages van kleine eiwitten en gigantische eiwitpolymeren die uitzetten en samentrekken, " zei Stupp. "Spieren doen dit met behulp van een chemische brandstof in plaats van licht om mechanische energie op te wekken."

Voor het bio-geïnspireerde materiaal van Northwestern, gelokaliseerd licht kan gerichte beweging veroorzaken. Met andere woorden, buiging kan in verschillende richtingen optreden, afhankelijk van waar het licht zich bevindt. En het veranderen van de richting van het licht kan het object ook dwingen om te draaien terwijl het over een oppervlak kruipt.

Stupp en zijn team geloven dat er oneindig veel mogelijke toepassingen zijn voor deze nieuwe familie van materialen. Met de mogelijkheid om in verschillende vormen te worden ontworpen, de materialen kunnen een rol spelen bij verschillende taken, variërend van het opruimen van het milieu tot hersenchirurgie.

"Deze materialen kunnen de functie versterken van zachte robots die nodig zijn om kwetsbare objecten op te pakken en ze vervolgens op een precieze locatie vrij te geven, " zei hij. "In de geneeskunde, bijvoorbeeld, zachte materialen met 'levende' eigenschappen kunnen buigen of van vorm veranderen om na een beroerte bloedstolsels in de hersenen op te vangen. Ze konden ook zwemmen om watervoorraden en zeewater schoon te maken of zelfs genezende taken uitvoeren om defecten in batterijen te repareren, membranen en chemische reactoren."