Framsteg inom biomimikri-skapa biologiska svar inom icke-biologiska ämnen-kommer att göra det möjligt för syntetiska material att bete sig på sätt som vanligtvis bara fanns i naturen. Ljus ger ett särskilt effektivt verktyg för att utlösa livliknande, dynamiska svar inom ett antal material. Problemet, dock, är att det applicerade ljuset vanligtvis dispergeras genom provet och därmed, det är svårt att lokalisera det bioinspirerade beteendet till önskat, specifika delar av materialet.

En konvergens av optiska, kemi- och materialvetenskap, dock, har gett ett nytt sätt att använda ljus för att kontrollera det lokala dynamiska beteendet i ett material. I allmän mening, det upplysta materialet efterliknar ett livsviktigt biologiskt beteende:förmågan hos iris och pupil i ögat att dynamiskt reagera på det inkommande ljuset. Vidare, när ljuset kommer in i provet, själva materialet ändrar ljusets beteende, fånga det inom regionerna i urvalet.

Den senaste forskningen från University of Pittsburghs Swanson School of Engineering, Harvard University och McMaster University, avslöjar en hydrogel som kan reagera på optiska stimuli och modifiera stimuli som svar. Gruppens resultat av denna opto-kemo-mekaniska transduktion publicerades denna månad i Förfaranden från National Academy of Sciences .

Pitt -författarna inkluderar Anna C. Balazs, Framstående professor i kemi- och petroleumsteknik och John A. Swanson ordförande i teknik; och Victor V. Yashin, Gästande forskarassistent. Andra medlemmar inkluderar Joanna Aizenberg, Amos Meeks (medförfattare) och Anna V. Shneidman, Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering och Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences; Ankita Shastri, Harvard Institutionen för kemi och kemisk biologi; och Fariha Mahmood, Derek Morim (medförfattare), Kalaichelvi Saravanamuttu och Andy Tran, McMaster University, Ontario, Kanada.

"Fram till för bara ett decennium sedan, det föredragna tillståndet för material var statiskt. Om du byggde något, preferensen var att ett material var förutsägbart och oförändrat, "Dr Balazs förklarade." Men allt eftersom tekniken utvecklas, vi tänker på material på nya sätt och hur vi kan utnyttja deras dynamiska egenskaper för att göra dem lyhörda för yttre stimuli.

"Till exempel, snarare än att programmera en dator för att få en enhet att utföra en funktion, hur kan vi kombinera kemi, optik och material för att efterlikna biologiska processer utan behov av hårdkopplade processorer och komplexa algoritmer? "

Resultaten fortsätter Dr Balazs forskning med spiropyran (SP) -funktionerade hydrogeler och materialets fotokänsliga kromoforer. Även om SP -gelén liknar gelatin, det är utmärkande i sin förmåga att innehålla ljusstrålar och inte sprida dem, liknande det sätt som fiberoptik passivt styr ljus för kommunikation. Dock, till skillnad från en enkel polymer, den vattenfyllda hydrogeln reagerar på ljuset och kan "fånga" fotonerna i dess molekylära struktur.

"Kromoforen i hydrogeln spelar en viktig roll, "förklarar hon." I avsaknad av ljus, gelen är svullen och avslappnad. Men när det utsätts för ljus från en laserstråle om bredden på ett människohår, det ändrar strukturen, krymper och blir hydrofob. Detta ökar polymertätheten och ändrar hydrogelens brytningsindex och fångar ljuset inom områden som är tätare än andra. När lasern tas bort från källan, gelén återgår till sitt normala tillstånd. Ljusets förmåga att påverka gelén och gelén i sin tur att påverka det förökande ljuset skapar en vacker återkopplingsslinga som är unik i syntetmaterial. "

Mest överraskande, gruppen fann att introduktionen av en andra, parallell ljusstråle skapar en typ av kommunikation inom hydrogeln. En av de självklämda balkarna styr inte bara en andra balk, men även kontrollen kan ske med ett betydande avstånd mellan de två, tack vare svaret från hydrogelmediet. Dr Yashin noterar att denna typ av kontroll nu är möjlig på grund av utvecklingen av material, inte på grund av framsteg inom laserteknik.

"Den första observationen av självfångst av ljus inträffade 1964, men med mycket stora, kraftfulla lasrar under kontrollerade förhållanden, "sa han." Vi kan nu lättare uppnå dessa beteenden i omgivande miljöer med mycket mindre energi, och därmed kraftigt utöka den potentiella användningen för icke-linjär optik i applikationer. "

Gruppen tror att opto-kemo-mekaniska svar utgör en potentiell sandlåda för utforskning av mjuk robotik, optisk beräkning och adaptiv optik.

"Det finns få material utformade med en inbyggd återkopplingsslinga, "Dr Balazs sa." Enkelheten i svaren ger ett spännande sätt att efterlikna biologiska processer som rörelse och kommunikation, och öppna nya vägar för att skapa enheter som inte är beroende av mänsklig kontroll. "

Denna forskning stöddes delvis av US Army Research Office under Award W911NF-17-1-0351 och av Natural Sciences and Engineering Research Council, Canadian Foundation for Innovation.