Wetenschappers hebben lang geprobeerd materialen uit te vinden die in voorspelbare, zelfregulerende manieren. Nutsvoorzieningen, nieuw onderzoek uitgevoerd aan de Universiteit van Massachusetts Amherst en verschenen in de Proceedings van de National Academy of Sciences brengt ons een stap dichter bij dat doel. Voor hun inspiratie, de wetenschappers keken naar de natuur.

Prikken zwemmen, paarden lopen, en vliegende insecten:elk van deze gedragingen wordt mogelijk gemaakt door een netwerk van oscillatoren - mechanismen die een zich herhalende beweging produceren, zoals het kronkelen van een staart, een stap zetten, of met een vleugel klapperen. Bovendien, deze natuurlijke oscillatoren kunnen op voorspelbare manieren reageren op hun omgeving. Als reactie op verschillende signalen, ze kunnen snel van snelheid veranderen, schakelen tussen verschillende modi, of helemaal stoppen met veranderen. "De vraag, " zegt Hyunki Kim, de mede-hoofdauteur van de krant, samen met de Subramanian Sundaram van de Boston University, een recente ontvanger van een doctoraat in polymeerwetenschap en -techniek van UMass Amherst, "kunnen we zachte materialen maken, zoals kunststoffen, polymeren, en nanocomposietstructuren, die op dezelfde manier kan reageren?" Het antwoord, zoals het team documenteert, is een definitief ja.

Een van de belangrijkste problemen die het team oploste, was om een ​​reeks oscillatoren samen te laten werken. een voorwaarde voor gecoördineerde, voorspelbare beweging. "We hebben een nieuw platform ontwikkeld waar we met opmerkelijke precisie de koppeling van oscillatoren, " zegt Ryan Hayward, James en Catherine Patten bijzonder hoogleraar chemische en biologische technologie aan de Universiteit van Colorado Boulder, en een van de co-auteurs van het papier. Dat platform steunt op nog een andere natuurlijke kracht, bekend als het Marangoni-effect, dat is een fenomeen dat de beweging van vaste stoffen langs het grensvlak tussen twee vloeistoffen beschrijft, aangedreven door veranderingen in oppervlaktespanning. Een klassieker, een echt voorbeeld van het Marangoni-effect gebeurt elke keer dat u de afwas doet. Als je afwasmiddel in een pan met water spuit, op het oppervlak waarvan de kruimels van je avondeten gelijkmatig zijn uitgestrooid, je kunt zien hoe de kruimels naar de randen van de pan vluchten zodra de zeep het water raakt. Dit komt doordat de zeep de oppervlaktespanning van het water verandert, en de kruimels worden weggetrokken uit gebieden met lage, zeepachtige oppervlaktespanning, richting de randen van de pan waar de oppervlaktespanning hoog blijft.

"Het komt allemaal neer op het begrijpen van de rol van interfaces en de diepgaande impact van het combineren van polymere en metalen materialen in composietstructuren, " zegt Todd Emrick, co-auteur en professor in polymeerwetenschap en -techniek aan de UMass. In plaats van zeepsop en pannen, het team gebruikte hydrogel-nanocomposietschijven bestaande uit polymeergels en nanodeeltjes van goud, die gevoelig waren voor veranderingen in licht en temperatuur. Het resultaat was dat het team in staat was om een ​​gevarieerde reeks oscillatoren te ontwikkelen die in harmonie met elkaar konden bewegen en voorspelbaar konden reageren op veranderingen in licht en temperatuur. "We kunnen nu complex gekoppeld gedrag ontwikkelen dat reageert op externe stimuli, " zegt Kim.