Een nieuw materiaal dat zich van nature aanpast aan veranderende omgevingen is geïnspireerd op de kracht, stabiliteit, en mechanische prestaties van de kaak van een mariene worm. Het eiwitmateriaal, die is ontworpen en gemodelleerd door onderzoekers van het Laboratorium voor Atomistische en Moleculaire Mechanica (LAMM) van de afdeling Civiele en Milieutechniek (CEE), en gesynthetiseerd in samenwerking met het Air Force Research Lab (AFRL) op Wright-Patterson Air Force Base, Ohio, zet uit en krimpt op basis van veranderende pH-niveaus en ionenconcentraties. Het werd ontwikkeld door te bestuderen hoe de kaak van Nereis virens, een zandworm, vormt en past zich aan in verschillende omgevingen.

Het resulterende pH- en iongevoelige materiaal kan reageren en reageren op zijn omgeving. Het begrijpen van dit natuurlijk voorkomende proces kan bijzonder nuttig zijn voor actieve controle van de beweging of vervorming van actuatoren voor zachte robotica en sensoren zonder gebruik te maken van externe voeding of complexe elektronische besturingsapparatuur. Het kan ook worden gebruikt om autonome structuren te bouwen.

"Het vermogen om de materiaaleigenschappen drastisch te veranderen, door de hiërarchische structuur te veranderen, beginnend op chemisch niveau, biedt spannende nieuwe mogelijkheden om het materiaal af te stemmen, en om voort te bouwen op het natuurlijke materiaalontwerp voor nieuwe technische toepassingen, " schreef Markus J. Buehler, de McAfee hoogleraar techniek, hoofd van CEE, en senior auteur van het artikel.

Het onderzoek, onlangs gepubliceerd in ACS Nano , laat zien dat, afhankelijk van de ionen en pH-niveaus in de omgeving, het eiwitmateriaal zet uit en trekt samen in verschillende geometrische patronen. Als de omstandigheden weer veranderen, het materiaal keert terug naar zijn oorspronkelijke vorm. Dit maakt het bijzonder nuttig voor slimme composietmaterialen met afstembare mechanica en zelfaangedreven robotici die de pH-waarde en ionconditie gebruiken om de materiaalstijfheid te veranderen of functionele vervormingen te genereren.

Inspiratie vinden in de sterke, stabiele kaak van een zeeworm

Om bio-geïnspireerde materialen te creëren die kunnen worden gebruikt voor zachte robotica, sensoren, en ander gebruik - zoals dat geïnspireerd door de Nereis - moesten ingenieurs en wetenschappers van LAMM en AFRL eerst begrijpen hoe deze materialen zich vormen in de Nereis-worm, en hoe ze zich uiteindelijk gedragen in verschillende omgevingen. Dit begrip omvatte de ontwikkeling van een model dat alle verschillende lengteschalen omvat vanaf het atomaire niveau, en kan het materiaalgedrag voorspellen. Dit model helpt om de Nereis-worm en zijn uitzonderlijke kracht volledig te begrijpen.

"Werken met AFRL gaf ons de mogelijkheid om onze atomistische simulaties te koppelen aan experimenten, " zei CEE-onderzoeker Francisco Martin-Martinez. AFRL heeft experimenteel een hydrogel gesynthetiseerd, een gelachtig materiaal dat grotendeels uit water bestaat, die is samengesteld uit recombinant Nvjp-1-eiwit dat verantwoordelijk is voor de structurele stabiliteit en indrukwekkende mechanische prestaties van de Nereis-kaak. De hydrogel werd gebruikt om te testen hoe het eiwit krimpt en gedrag verandert op basis van pH en ionen in de omgeving.

De kaak van Nereis is grotendeels gemaakt van organisch materiaal, wat betekent dat het een zacht eiwitmateriaal is met een consistentie die vergelijkbaar is met gelatine. Ondanks dit, zijn kracht, waarvan is gemeld dat het een hardheid heeft tussen 0,4 en 0,8 gigapascal (GPa), is vergelijkbaar met die van hardere materialen zoals menselijk dentine. "Het is opmerkelijk dat dit zachte eiwitmateriaal, met een consistentie vergelijkbaar met Jell-O, kan zo sterk zijn als verkalkte mineralen die worden gevonden in menselijk dentine en hardere materialen zoals botten, ' zei Bühler.

Bij het MIT, de onderzoekers keken naar de samenstelling van de Nereis-kaak op moleculaire schaal om te zien wat de kaak zo sterk en adaptief maakt. Op deze schaal, de metaal-gecoördineerde crosslinks, de aanwezigheid van metaal in zijn moleculaire structuur, zorgen voor een moleculair netwerk dat het materiaal sterker maakt en tegelijkertijd de moleculaire binding dynamischer maakt, en uiteindelijk in staat te reageren op veranderende omstandigheden. Op macroscopische schaal, deze dynamische metaal-eiwitbindingen resulteren in een uitzettings-/krimpgedrag.

Door de eiwitstructuurstudies van AFRL te combineren met het moleculaire begrip van LAMM, Bühler, Martin Martinez, CEE-onderzoeker Zhao Qin, en voormalig promovendus Chia-Ching Chou '15, creëerde een multischaalmodel dat het mechanische gedrag kan voorspellen van materialen die dit eiwit in verschillende omgevingen bevatten. "Deze atomistische simulaties helpen ons om de atomaire rangschikkingen en moleculaire conformaties te visualiseren die ten grondslag liggen aan de mechanische prestaties van deze materialen, ', zegt Martin-Martinez.

specifiek, met behulp van dit model kon het onderzoeksteam ontwerpen, toets, en visualiseer hoe verschillende moleculaire netwerken veranderen en zich aanpassen aan verschillende pH-niveaus, rekening houdend met de biologische en mechanische eigenschappen.

Door te kijken naar de moleculaire en biologische samenstelling van de Nereis virens en het voorspellende model van het mechanische gedrag van het resulterende eiwitmateriaal te gebruiken, de LAMM-onderzoekers waren in staat om het eiwitmateriaal op verschillende schalen beter te begrijpen en een uitgebreid begrip te geven van hoe dergelijke eiwitmaterialen zich vormen en zich gedragen in verschillende pH-instellingen. Dit inzicht leidt tot nieuwe materiaalontwerpen voor zachte robots en sensoren.

Identificatie van het verband tussen omgevingseigenschappen en beweging in het materiaal

Het voorspellende model legde uit hoe de pH-gevoelige materialen van vorm en gedrag veranderen, die de onderzoekers gebruikten voor het ontwerpen van nieuwe PH-veranderende geometrische structuren. Afhankelijk van de oorspronkelijke geometrische vorm die is getest in het eiwitmateriaal en de eigenschappen eromheen, de LAMM-onderzoekers ontdekten dat het materiaal ofwel spiralen ofwel een Cypraea-schaalachtige vorm aanneemt wanneer de pH-waarden worden gewijzigd. Dit zijn slechts enkele voorbeelden van het potentieel dat dit nieuwe materiaal zou kunnen hebben voor de ontwikkeling van zachte robots, sensoren, en autonome structuren.

Met behulp van het voorspellende model, ontdekte het onderzoeksteam dat het materiaal niet alleen van vorm verandert, maar het keert ook terug naar zijn oorspronkelijke vorm wanneer de pH-waarden veranderen. Op moleculair niveau, histidine-aminozuren die in het eiwit aanwezig zijn, binden sterk aan de ionen in de omgeving. Deze zeer lokale chemische reactie tussen aminozuren en metaalionen heeft op grotere schaal effect op de algehele conformatie van het eiwit. Wanneer de omgevingsomstandigheden veranderen, de histidine-metaalinteracties veranderen dienovereenkomstig, die de eiwitconformatie beïnvloeden en op zijn beurt de materiële respons.

"Het veranderen van de pH of het veranderen van de ionen is als het omdraaien van een schakelaar. Je zet hem aan of uit, afhankelijk van de omgeving die u kiest, en de hydrogel zet uit of trekt samen", zegt Martin-Martinez.

LAMM ontdekte dat op moleculair niveau, de structuur van het eiwitmateriaal wordt versterkt wanneer de omgeving zinkionen en bepaalde pH-waarden bevat. Dit zorgt voor stabielere metaalgecoördineerde verknopingen in de moleculaire structuur van het materiaal, waardoor de moleculen dynamischer en flexibeler worden.

Dit inzicht in het ontwerp en de flexibiliteit van het materiaal is uitermate nuttig voor omgevingen met wisselende pH-waarden. De reactie van het veranderen van zijn figuur op veranderende zuurgraadniveaus zou kunnen worden gebruikt voor zachte robotica. "De meeste zachte robotica hebben stroom nodig om de beweging aan te drijven en te worden bestuurd door complexe elektronische apparaten. Ons werk aan het ontwerpen van multifunctioneel materiaal kan een ander pad bieden om de materiaaleigenschap en vervorming direct te beheersen zonder elektronische apparaten, " zei Qin.

Door de moleculaire samenstelling en het gedrag van het primaire eiwit dat verantwoordelijk is voor de mechanische eigenschappen die ideaal zijn voor Nereis-kaakprestaties te bestuderen en te modelleren, de LAMM-onderzoekers zijn in staat omgevingseigenschappen te koppelen aan beweging in het materiaal en hebben meer inzicht in de kracht van de Nereis-kaak.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.