Ett nytt material som naturligt anpassar sig till föränderliga miljöer inspirerades av styrkan, stabilitet, och mekanisk prestanda hos en marinmasks käke. Proteinmaterialet, som designades och modellerades av forskare från Laboratory for Atomistic and Molecular Mechanics (LAMM) vid Institutionen för civil- och miljöteknik (CEE), och syntetiserad i samarbete med Air Force Research Lab (AFRL) vid Wright-Patterson Air Force Base, Ohio, expanderar och drar ihop sig baserat på ändrade pH-nivåer och jonkoncentrationer. Den utvecklades genom att studera hur käken hos Nereis virens, en sandmask, formar och anpassar sig i olika miljöer.

Det resulterande pH- och jonkänsliga materialet kan svara och reagera på sin miljö. Att förstå denna naturligt förekommande process kan vara särskilt användbart för aktiv kontroll av rörelsen eller deformationen av ställdon för mjuk robotik och sensorer utan att använda extern strömförsörjning eller komplexa elektroniska styrenheter. Det kan också användas för att bygga autonoma strukturer.

"Förmågan att dramatiskt förändra materialegenskaperna, genom att ändra dess hierarkiska struktur med början på den kemiska nivån, erbjuder spännande nya möjligheter att ställa in materialet, och att bygga på den naturliga materialdesignen mot nya tekniska tillämpningar, "skrev Markus J. Buehler, McAfee professor i teknik, chef för CEE, och senior författare av tidningen.

Forskningen, nyligen publicerad i ACS Nano , visar att beroende på joner och pH-nivåer i miljön, proteinmaterialet expanderar och drar ihop sig till olika geometriska mönster. När villkoren ändras igen, materialet återgår till sin ursprungliga form. Detta gör det särskilt användbart för smarta kompositmaterial med inställbar mekanik och självdrivna robotister som använder pH-värde och jontillstånd för att ändra materialets styvhet eller generera funktionella deformationer.

Hitta inspiration i den starka, stabil käke av en marin mask

För att skapa bioinspirerade material som kan användas för mjuk robotik, sensorer, och andra användningsområden – som den som inspirerats av Nereis – ingenjörer och forskare vid LAMM och AFRL behövde först förstå hur dessa material bildas i Nereis-masken, och hur de i slutändan beter sig i olika miljöer. Denna förståelse involverade utvecklingen av en modell som omfattar alla olika längdskalor från atomnivå, och kan förutsäga det materiella beteendet. Denna modell hjälper till att fullt ut förstå Nereis -masken och dess exceptionella styrka.

"Att arbeta med AFRL gav oss möjligheten att para ihop våra atomistiska simuleringar med experiment, " sa CEE-forskaren Francisco Martin-Martinez. AFRL syntetiserade experimentellt en hydrogel, ett gelliknande material som mestadels består av vatten, som är sammansatt av rekombinant Nvjp-1-protein som är ansvarigt för den strukturella stabiliteten och imponerande mekaniska prestanda hos Nereis-käken. Hydrogelen användes för att testa hur proteinet krymper och ändrar beteende baserat på pH och joner i miljön.

Nereis-käken är till största delen gjord av organiskt material, vilket betyder att det är ett mjukt proteinmaterial med en konsistens som liknar gelatin. Trotts detta, dess styrka, som har rapporterats ha en hårdhet på mellan 0,4 och 0,8 gigapascal (GPa), liknar hårdare material som human dentin. "Det är ganska anmärkningsvärt att detta mjuka proteinmaterial, med en konsistens som liknar Jell-O, kan vara lika starka som förkalkade mineraler som finns i mänskligt dentin och hårdare material som ben, sa Buehler.

På MIT, forskarna tittade på Nereis-käkens sammansättning i molekylär skala för att se vad som gör käken så stark och adaptiv. I denna skala, de metallkoordinerade tvärbindningarna, närvaron av metall i dess molekylära struktur, tillhandahålla ett molekylärt nätverk som gör materialet starkare och samtidigt gör molekylbindningen mer dynamisk, och i slutändan kunna reagera på förändrade förhållanden. I makroskopisk skala, dessa dynamiska metall-proteinbindningar resulterar i ett expansions-/sammandragningsbeteende.

Genom att kombinera proteinstrukturstudierna från AFRL med den molekylära förståelsen från LAMM, Bühler, Martin-Martinez, CEE-forskaren Zhao Qin, och tidigare doktorand Chia-Ching Chou '15, skapat en flerskalig modell som kan förutsäga det mekaniska beteendet hos material som innehåller detta protein i olika miljöer. "Dessa atomistiska simuleringar hjälper oss att visualisera atomarrangemang och molekylära konformationer som ligger till grund för dessa materials mekaniska prestanda, sa Martin-Martinez.

Specifikt, med hjälp av denna modell kunde forskargruppen designa, testa, och visualisera hur olika molekylära nätverk förändras och anpassar sig till olika pH-nivåer, med hänsyn till de biologiska och mekaniska egenskaperna.

Genom att titta på den molekylära och biologiska sammansättningen av en Nereis virens och använda den prediktiva modellen för det mekaniska beteendet hos det resulterande proteinmaterialet, LAMM-forskarna kunde bättre förstå proteinmaterialet i olika skalor och ge en heltäckande förståelse för hur sådana proteinmaterial bildas och beter sig i olika pH-inställningar. Denna förståelse vägleder nya materialdesigner för mjuka robotar och sensorer.

Identifiera kopplingen mellan miljöegenskaper och rörelse i materialet

Den prediktiva modellen förklarade hur de pH-känsliga materialen ändrar form och beteende, som forskarna använde för att designa nya PH-förändrande geometriska strukturer. Beroende på den ursprungliga geometriska formen som testats i proteinmaterialet och egenskaperna som omger det, LAMM-forskarna fann att materialet antingen spiralformar eller tar en Cypraea-skalliknande form när pH-nivåerna ändras. Detta är bara några exempel på den potential som detta nya material kan ha för att utveckla mjuka robotar, sensorer, och autonoma strukturer.

Med hjälp av den prediktiva modellen, forskargruppen fann att materialet inte bara ändrar form, men den återgår också till sin ursprungliga form när pH-nivåerna ändras. På molekylär nivå, histidinaminosyror som finns i proteinet binder starkt till jonerna i miljön. Denna mycket lokala kemiska reaktion mellan aminosyror och metalljoner har en effekt i proteinets totala konformation i större skala. När miljöförhållandena förändras, histidin-metall-interaktionerna ändras i enlighet därmed, som påverkar proteinkonformationen och i sin tur materialets respons.

"Att ändra pH eller ändra jonerna är som att vrida på en strömbrytare. Du slår på eller av den, beroende på vilken miljö du väljer, och hydrogelen expanderar eller drar ihop sig", sa Martin-Martinez.

LAMM fann att på molekylär nivå, proteinmaterialets struktur förstärks när miljön innehåller zinkjoner och vissa pH -nivåer. Detta skapar mer stabila metallkoordinerade tvärbindningar i materialets molekylära struktur, vilket gör molekylerna mer dynamiska och flexibla.

Denna insikt i materialets design och dess flexibilitet är extremt användbar för miljöer med växlande pH-nivåer. Dess svar att ändra sin figur till ändrade surhetsnivåer skulle kunna användas för mjuk robotik. "De flesta mjuka robotar kräver strömförsörjning för att driva rörelsen och för att kontrolleras av komplexa elektroniska enheter. Vårt arbete med att designa multifunktionellt material kan ge en annan väg för att direkt kontrollera materialegenskapen och deformationen utan elektroniska enheter, sa Qin.

Genom att studera och modellera den molekylära sammansättningen och beteendet hos det primära proteinet som ansvarar för de mekaniska egenskaperna som är idealiska för Nereis käkprestanda, LAMM -forskarna kan koppla miljöegenskaper till rörelse i materialet och har en mer omfattande förståelse för styrkan i Nereis -käken.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.