Kuddarna på geckos notoriskt klibbiga fötter är täckta med setae - mikroskopiska, hårliknande strukturer vars kemiska och fysiska sammansättning och höga flexibilitet gör att ödlan lätt kan greppa väggar och tak. Forskare har försökt replikera sådana dynamiska mikrostrukturer i labbet med en mängd olika material, inklusive flytande kristallelastomerer (LCE), som är gummiliknande nätverk med fästa flytande kristallina grupper som dikterar riktningarna i vilka LCE:erna kan röra sig och sträcka sig. Än så länge, syntetiska LCE:er har oftast kunnat deformeras i endast en eller två dimensioner, begränsar strukturernas förmåga att röra sig i rymden och anta olika former.

Nu, en grupp forskare från Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering och John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har utnyttjat magnetfält för att kontrollera molekylstrukturen hos LCE och skapa mikroskopiska tredimensionella polymerformer som kan programmeras till att röra sig i valfri riktning som svar på flera typer av stimuli. Arbetet, redovisas i PNAS , kan leda till skapandet av ett antal användbara enheter, inklusive solpaneler som vänder sig för att följa solen för förbättrad energifångst.

"Det som är avgörande med det här projektet är att vi kan kontrollera molekylstrukturen genom att justera flytande kristaller i en godtycklig riktning i 3D-rymden, så att vi kan programmera nästan vilken form som helst i materialets geometri, " sa första författaren Yuxing Yao, som är en doktorand i labbet hos Wyss grundande kärnfakultetsmedlem Joanna Aizenberg, Ph.D.

Mikrostrukturerna skapade av Yao och Aizenbergs team är gjorda av LCE:er gjutna till godtyckliga former som kan deformeras som svar på värme, ljus, och fuktighet, och vars specifika omkonfiguration styrs av deras egna kemiska och materialegenskaper. Forskarna fann att genom att exponera LCE-prekursorerna för ett magnetfält medan de syntetiserades, alla de flytande kristallina elementen inuti LCE:erna radade upp längs magnetfältet och behöll denna molekylära inriktning efter att polymeren stelnat. Genom att variera magnetfältets riktning under denna process, forskarna kunde diktera hur de resulterande LCE-formerna skulle deformeras när de värmdes till en temperatur som störde orienteringen av deras flytande kristallina strukturer. När den återgår till omgivningstemperatur, de deformerade strukturerna återupptog sina ursprungliga, invändigt orienterad form.

Sådana programmerade formändringar kan användas för att skapa krypterade meddelanden som bara avslöjas när de värms upp till en specifik temperatur, ställdon för små mjuka robotar, eller självhäftande material vars klibbighet kan slås på och av. Systemet kan också få former att autonomt böjas i riktningar som vanligtvis skulle kräva inmatning av viss energi för att uppnå. Till exempel, en LCE-platta visade sig inte bara genomgå "traditionell" bockning utanför planet, men också böjning eller vridning i planet, förlängning, och sammandragning. Dessutom, unika rörelser kan uppnås genom att exponera olika regioner av en LCE-struktur för flera magnetiska fält under polymerisation, som sedan deformerades i olika riktningar vid upphettning.

Teamet kunde också programmera sina LCE-former för att omkonfigurera sig själva som svar på ljus genom att införliva ljuskänsliga tvärbindande molekyler i strukturen under polymerisation. Sedan, när strukturen var upplyst från en viss riktning, sidan mot ljuset drog ihop sig, får hela formen att böjas mot ljuset. Denna typ av självreglerande rörelse tillåter LCE:er att deformeras som svar på sin omgivning och kontinuerligt omorientera sig för att autonomt följa ljuset.

Dessutom, LCE:er kan skapas med både värme- och ljuskänsliga egenskaper, så att en struktur av ett enda material nu är kapabel till flera former av rörelse- och svarsmekanismer.

En spännande tillämpning av dessa multiresponsiva LCE är skapandet av solpaneler täckta med mikrostrukturer som vänder sig för att följa solen när den rör sig över himlen som en solros, vilket resulterar i effektivare ljusfångning. Tekniken kan också utgöra grunden för autonoma källföljande radioapparater, flernivåkryptering, sensorer, och smarta byggnader.

"Vårt labb har för närvarande flera pågående projekt där vi arbetar med att kontrollera kemin i dessa LCE för att möjliggöra unika, tidigare osynliga deformationsbeteenden, eftersom vi tror att dessa dynamiska bioinspirerade strukturer har potential att hitta användning inom ett antal områden, sa Aizenberg, som också är Amy Smith Berylson professor i materialvetenskap vid SEAS.

"Att ställa grundläggande frågor om hur naturen fungerar och om det är möjligt att replikera biologiska strukturer och processer i labbet är kärnan i Wyss Institutes värderingar, och kan ofta leda till innovationer som inte bara matchar naturens förmågor, men förbättra dem för att skapa nya material och enheter som inte skulle existera annars, " sa Wyss Institutes grundare Donald Ingber, M.D., Ph.D., som också är Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid Harvard Medical School och Vascular Biology Program vid Boston Children's Hospital, samt professor i bioteknik vid SEAS.