Föreställ dig en liten, provisorisk muskel som kan krulla en 20 milligrams svävande vikt när den utsätts för ljus. Under rätt förutsättningar, en annan mix har tillräckligt med kraft för att bänkpressa en krona.

Forskare vid Washington University i St. Louis har skapat en helt ny typ av artificiell molekylmuskel från en polymer som är kapabel till vissa tunga lyft - relativt sett.

"Den externa triggern som initierar aktiveringsprocessen kan vara något så enkelt som solljus, sa Jonathan Barnes, biträdande professor i kemi i konst och vetenskap och 2017 Packard Fellow. Den nya polymeren, som ändrar färg och drar ihop sig när den utsätts för synligt ljus, beskrivs i en publikation den 24 januari av ett specialnummer av Macromolecular Rapid Communications.

Barnes och hans team har arbetat på sitt proof of concept för den nya redox-känsliga polymeren – en som drar ihop sig när elektroner tillsätts (reduktion) och expanderar när de tas bort (oxidation) – sedan han började vid Washington University mindre än två för flera år sedan.

Förra hösten, de visade att de framgångsrikt kunde bygga sin funktionella polymer och införliva den i en smidig, bulkmaterial som kallas hydrogel. Det resulterande materialet kunde dras samman till en tiondel av sin ursprungliga volym och sedan expanderas tillbaka till sin ursprungliga storlek, dess långa polymerkedjor som ömtåligt vikas och vecklas ut i tre dimensioner.

Hydrogelen innehåller totalt 5 procent polymer, varav endast 5 procent är den nya, funktionell polymer; resten är bara vatten. Detta betyder att endast 0,25 procent av den totala hydrogelen är den funktionella polymeren, ett otroligt lågt antal i fält.

"Om du tittar på andra material, den aktiva polymeren finns vanligtvis i varje länk, sa Angelique Greene, en postdoktor vid Barnes-laboratoriet. "Vårt är väldigt utspätt, och ändå presterade våra hydrogeler fortfarande i en jämförbar och ibland till och med bättre hastighet."

Dra sin egen vikt

Men den molekylära muskeln behövde fortfarande triggas av kemisk reduktion i en våt lösning. För att ta itu med slash-faktorn, forskarna introducerade sedan fotoredox-katalysatorer som absorberar synligt ljus, inbäddad i gelén, och flyttade sina muskler till torr mark.

Det var dags för ett styrketest.

"Vi ville visa att det inte bara kunde ändra form, eller böja, eller ändra en annan färg, men faktiskt fungerar, sa Barnes.

Forskarna fäste sin bäst presterande gel på en bit svart elektrisk tejp, och sedan fäst en liten, lätt bit av aluminiumtråd som håller en liten vikt på 20 milligram på botten. De utsatte den för ett blått ljus, och, efter fem timmar, polymeren hade flyttat den suspenderade vikten flera centimeter från sin startposition.

"Här har vi mycket fin kontroll, sa Kevin Liles, en Ph.D. kandidat i kemi som var med och skrev den nya studien, tillsammans med Greene. "Vi kan bestråla polymeren under en viss tid, stoppa den vid ett visst antal grader (av böjning), eller bestråla en viss del och få den att dra ihop sig i vissa områden."

Fem timmar kan tyckas vara lång tid att röra sig några centimeter, men Barnes är inte orolig för att Moder Natur gör det snabbare.

"Om du någonsin har sett en blomma eller växt på sidan av ett berg, den böjer sig alltid mot där ljuset är, ", sa Barnes. "Naturen hittar ett sätt att anpassa sig för att optimera mängden ljuskälla som träffar dess kronblad. Detta material gör i princip exakt samma sak."

Forskarna tittar nu på hur man kan para ihop sin nya funktionella polymer med andra som är tuffare och kan lyfta tyngre laster. De vill också ta reda på hur man styr de konstgjorda molekylära musklerna med hjälp av elektroder. Denna åtgärd skulle likna det sätt som elektriska signaler överförs i kroppen, och skulle kunna bana väg mot framtida protesapplikationer.