Forskare har framgångsrikt utbildat ett material för att svara på en ursprungligen neutral stimulans, en gel som kan läras smälta utan att behöva värmas. Deras arbete, nyligen publicerad i Naturkommunikation , inspirerades av begreppet klassisk konditionering i beteendepsykologi, mer känd som Pavlovs hundförsök.

För att undersöka om klassisk konditionering kan uppnås i konstgjorda material, forskarna gjorde en fast gel baserad på agaros, ett ämne som vanligtvis utvinns ur tång, blandat med vatten och modifierade guldnanopartiklar. När denna gel har rött och blått ljus sken på den, ingenting händer. Om du smälter gelén genom uppvärmning, kyla ner det igen så det stelnar igen, och sedan lysa rött och blått ljus på det, inget spännande händer heller. Men om du smälter gelen medan du belyser den med rött och blått ljus, kyl sedan ner den till en gel, gelén smälter spontant nästa gång du lyser rött och blått ljus på den. Det har alltså "lärt sig" att svara på en ny stimulans.

I Ivan Pavlovs berömda klassiska konditioneringsexperiment i experimentell psykologi som handlar om enkla former av lärande, en hund kunde tränas för att saliva när den hörde en klocka. Pavlov tränade hunden att bete sig så här genom att ringa en klocka varje gång han matade hunden - hunden förknippade ljudet av klockan med dess mat och skulle börja dregla när den hörde klockan ringa. Gelen som utvecklats av team från Aalto University och Tammerfors universitet efterliknar denna process med uppvärmning som motsvarar maten och det färgade ljuset som motsvarar klockan.

"Konceptuellt är detta väldigt nytt, det är egentligen ingen som tillverkar material som visar detta Pavlovianska svar. Vi var intresserade av att introducera de grundläggande begreppen inlärning för konstgjorda material. "Förklarade Dr Hang Zhang, postdoktoren som utvecklade materialet och som är den första författaren på julis tidning i Nature Communications. Som medlem i forskargruppen Molecular Materials och HYBER Center of Excellence i Aalto, han arbetar med biologiskt inspirerade material. Förutom Dr. Hang Zhang, forskargruppen inkluderade Dr Hao Zeng och prof. Arri Priimägi från Tammerfors universitet, och professor Olli Ikkala från Aalto University. Projektet fick stöd av två projekt som finansierats av European Research Council (ERC), FOTO och kört.

Gelen kan tränas eftersom guldnanopartiklarna i blandningen är känsliga för surheten i omgivningen. Nanopartiklarna sprids initialt slumpmässigt genom gelén. Om du smälter gelen och stelnar den utan belysning, de förblir slumpmässigt fördelade. Dock, om du smälter gelen medan du lyser upp den med blått och rött ljus, nanopartiklarna håller ihop och bildar små kedjor. Detta sker tack vare en fotosyra, en sista "hemlig" ingrediens i gelén. Fotosyran gör gelén surare när det färgade ljuset lyser på den, och när detta händer i en smält gel, det får nanopartiklarna att bildas till kedjor. När du lyser blått och rött ljus på gelén som innehåller kedjor av guldnanopartiklar, kedjorna värms upp på ett sätt som enskilda nanopartiklar själva inte gör, på grund av en process som kallas plasmonisk koppling. Detta bildar ett "utlösbart optiskt minne". Att kedjorna värms upp med blått och rött ljus får gelén att smälta själv.

Gelen kan senare också göras för att "glömma" denna träning, parallellt med hur lärande kan glömmas av människor. Tricket är att använda en kombination av kemikalier (urea och ureas) tillsatta gelén under tillverkningen, som långsamt frigör ammoniak som bryter upp nanopartikelkedjorna. Cirka 12 timmar efter träning, materialet smälter inte längre när det belyses med ljus och tappar därmed minnet.

"När det gäller praktiska tillämpningar, there is a long way to go for such a conceptually new project." Dr. Zhang laughed. "The important thing is that we can condition artificial materials in a programmed way using external stimuli and play with its memory chemically. We foresee that other types of learning materials can be designed with a wide array of induced properties, and that conditioning could become a general concept in materials science."