Genom att bädda in titanbaserade ark i vatten, en grupp ledd av forskare från RIKEN Center for Emergent Matter Science har skapat ett material med oorganiska material som kan omvandlas från en hård gel till mjuk materia med hjälp av temperaturförändringar.

Science fiction innehåller ofta oorganiska livsformer, men i verkligheten, organismer och enheter som reagerar på stimuli som temperaturförändringar är nästan alltid baserade på organiska material, och följaktligen, forskning inom området "adaptiva material" har nästan uteslutande fokuserat på organiska ämnen. Dock, det finns fördelar med att använda oorganiska material som metaller, inklusive potentiellt bättre mekaniska egenskaper.

Med tanke på detta, den RIKEN-ledda gruppen bestämde sig för att försöka återskapa beteendet som visades av organiska hydrogeler, men använder oorganiska material. Inspirationen till materialet kommer från en vattenlevande varelse som kallas sjögurka. Havsgurkor är fascinerande djur, relaterade till sjöstjärnor (men inte till gurkor!) – som har förmågan att förvandla sin hud från ett hårt lager till ett slags gelé, låter dem kasta ut sina inre organ – som så småningom växer igen – för att fly från rovdjur. När det gäller sjögurkor, kemikalier som frigörs av deras nervsystem utlöser förändringen i konfigurationen av en proteinställning, skapa förändringen.

För att klara det, forskarna experimenterade med att arrangera nanosheets - tunna ark av titanoxid i det här fallet - i vatten, med nanosheets som utgör 14 procent och vatten 86 procent av materialet i vikt.

Enligt Koki Sano från RIKEN CEMS, tidningens första författare, "Nyckeln till om ett material är en mjuk hydrogel eller en hårdare gel är baserad på balansen mellan attraktionskrafter och frånstötande krafter bland nanoarken. Om de frånstötande krafterna dominerar, det är mjukare, men om de attraktiva är starka, arken blir låsta i ett tredimensionellt nätverk, och det kan omarrangeras till en hårdare gel. Genom att använda finjusterad elektrostatisk repulsion, vi försökte göra en gel vars egenskaper skulle förändras beroende på temperatur."

Gruppen lyckades i slutändan göra detta, fann att materialet förändrades från ett mjukare repulsionsdominerat tillstånd till ett hårdare attraktionsdominerat tillstånd vid en temperatur på cirka 55 grader. De fann också att de kunde upprepa processen upprepade gånger utan betydande försämring. "Vad var fascinerande, " han fortsätter, "är att denna övergångsprocess slutförs inom bara två sekunder trots att den kräver en stor strukturell omarrangering. Denna övergång åtföljs av en 23-faldig förändring i gelens mekaniska elasticitet, påminner om sjögurkor."

För att göra materialet mer användbart, de dopade det sedan med guldnanopartiklar som kunde omvandla ljus till värme, så att de kan lysa laserljus på materialet för att värma upp det och ändra strukturen.

Enligt Yasuhiro Ishida från RIKEN CEMS, en av motsvarande författare till tidningen, "Det här är verkligen spännande arbete eftersom det i hög grad öppnar omfattningen av ämne som kan användas i nästa generations adaptiva material, och kan till och med tillåta oss att skapa en form av oorganiskt liv."