De voetzolen van gekko's notoir plakkerige voeten zijn bedekt met setae - microscopisch kleine, haarachtige structuren waarvan de chemische en fysische samenstelling en hoge flexibiliteit de hagedis in staat stellen muren en plafonds gemakkelijk vast te pakken. Wetenschappers hebben geprobeerd om dergelijke dynamische microstructuren in het laboratorium te repliceren met een verscheidenheid aan materialen, inclusief vloeibare kristalelastomeren (LCE's), dit zijn rubberachtige netwerken met aangehechte vloeibaar-kristallijne groepen die de richtingen bepalen waarin de LCE's kunnen bewegen en uitrekken. Tot dusver, synthetische LCE's hebben meestal slechts in één of twee dimensies kunnen vervormen, het beperken van het vermogen van de structuren om door de ruimte te bewegen en verschillende vormen aan te nemen.

Nutsvoorzieningen, een groep wetenschappers van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering van Harvard en de John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) heeft magnetische velden gebruikt om de moleculaire structuur van LCE's te controleren en microscopische driedimensionale polymeervormen te creëren die kunnen worden geprogrammeerd om in elke richting bewegen als reactie op meerdere soorten stimuli. Het werk, gemeld in PNAS , zou kunnen leiden tot de creatie van een aantal nuttige apparaten, inclusief zonnepanelen die draaien om de zon te volgen voor een betere opname van energie.

"Het cruciale aan dit project is dat we de moleculaire structuur kunnen beheersen door vloeibare kristallen in een willekeurige richting in de 3D-ruimte uit te lijnen, waardoor we bijna elke vorm in de geometrie van het materiaal zelf kunnen programmeren, " zei eerste auteur Yuxing Yao, die een afgestudeerde student is in het lab van Wyss Founding Core Faculty Member Joanna Aizenberg, doctoraat

De microstructuren gemaakt door het team van Yao en Aizenberg zijn gemaakt van LCE's gegoten in willekeurige vormen die kunnen vervormen als reactie op hitte, licht, en vochtigheid, en waarvan de specifieke herconfiguratie wordt gecontroleerd door hun eigen chemische en materiële eigenschappen. De onderzoekers ontdekten dat door de LCE-precursoren bloot te stellen aan een magnetisch veld terwijl ze werden gesynthetiseerd, alle vloeibaar-kristallijne elementen in de LCE's stonden opgesteld langs het magnetische veld en behielden deze moleculaire uitlijning nadat het polymeer was gestold. Door tijdens dit proces de richting van het magnetische veld te variëren, de wetenschappers konden dicteren hoe de resulterende LCE-vormen zouden vervormen bij verhitting tot een temperatuur die de oriëntatie van hun vloeibaar-kristallijne structuren verstoorde. Bij terugkeer naar omgevingstemperatuur, de vervormde structuren hervatten hun oorspronkelijke, naar binnen gerichte vorm.

Dergelijke geprogrammeerde vormveranderingen kunnen worden gebruikt om gecodeerde berichten te maken die alleen worden onthuld wanneer ze worden verwarmd tot een specifieke temperatuur, actuatoren voor kleine zachte robots, of zelfklevende materialen waarvan de kleverigheid kan worden in- en uitgeschakeld. Het systeem kan er ook voor zorgen dat vormen autonoom buigen in richtingen waarvoor gewoonlijk enige energie nodig is om te bereiken. Bijvoorbeeld, een LCE-plaat bleek niet alleen "traditionele" out-of-plane buiging te ondergaan, maar ook in-plan buigen of draaien, verlenging, en samentrekking. Aanvullend, unieke bewegingen kunnen worden bereikt door verschillende regio's van een LCE-structuur bloot te stellen aan meerdere magnetische velden tijdens polymerisatie, die vervolgens bij verhitting in verschillende richtingen vervormde.

Het team was ook in staat om hun LCE-vormen te programmeren om zichzelf opnieuw te configureren als reactie op licht door tijdens de polymerisatie lichtgevoelige verknopende moleculen in de structuur op te nemen. Vervolgens, wanneer de structuur vanuit een bepaalde richting werd verlicht, de kant die naar het licht is gericht, is samengetrokken, waardoor de hele vorm naar het licht buigt. Dit type zelfregulerende beweging stelt LCE's in staat om te vervormen als reactie op hun omgeving en zichzelf voortdurend te heroriënteren om autonoom het licht te volgen.

Aanvullend, LCE's kunnen worden gemaakt met zowel warmte- als lichtgevoelige eigenschappen, zodanig dat een structuur uit één materiaal nu in staat is tot meerdere vormen van bewegings- en reactiemechanismen.

Een opwindende toepassing van deze multiresponsieve LCE's is de creatie van zonnepanelen bedekt met microstructuren die draaien om de zon te volgen terwijl deze als een zonnebloem door de lucht beweegt, wat resulteert in een efficiëntere lichtopname. De technologie zou ook de basis kunnen vormen voor autonome bronvolgende radio's, encryptie op meerdere niveaus, sensoren, en slimme gebouwen.

"Ons lab heeft momenteel verschillende lopende projecten waarin we werken aan het beheersen van de chemie van deze LCE's om unieke, voorheen ongezien vervormingsgedrag, omdat we geloven dat deze dynamische bio-geïnspireerde structuren het potentieel hebben om op een aantal gebieden te worden gebruikt, " zei Aizenberg, die ook de Amy Smith Berylson Professor of Material Science aan SEAS is.

"Het stellen van fundamentele vragen over hoe de natuur werkt en of het mogelijk is om biologische structuren en processen in het laboratorium te repliceren, vormt de kern van de waarden van het Wyss Institute, en kan vaak leiden tot innovaties die niet alleen passen bij de mogelijkheden van de natuur, maar ze verbeteren om nieuwe materialen en apparaten te maken die anders niet zouden bestaan, " zei Donald Ingber, oprichter van het Wyss Institute, MD, doctoraat, die ook de Judah Folkman Professor of Vascular Biology is aan de Harvard Medical School en het Vascular Biology Program aan het Boston Children's Hospital, evenals hoogleraar bio-engineering aan SEAS.