Modellazione fotolitografica del gel e deformazione cooperativa indotta dal gonfiore. (A) Una soluzione precursore nella cella di reazione è stata esposta all'irradiazione di luce ultraiolet (UV) attraverso una maschera per produrre gel modellati nella regione esposta alla luce. Dopo che la soluzione residua è stata rimossa (B), un'altra soluzione precursore è stata iniettata nell'intercapedine tra i gel preformati (C). (D) La successiva fotopolimerizzazione senza maschera ha prodotto un gel modellato integrato. (E) Dopo che il gel a motivi periodici è stato gonfiato in acqua, si deformava in una struttura alternata concavo-convessa. Le aree blu e rosse corrispondono a gel che non si gonfiano e si gonfiano, rispettivamente. (F) Immagini del gel modellato gonfio corrispondente. Barre della scala, 1 cm. Credito: Progressi scientifici (2017). DOI:10.1126/sciadv.1700348
(Phys.org)—In natura, alcuni organismi usano le deformazioni per creare movimento tridimensionale. Un esempio è la trappola per mosche di Venere, che apre e chiude le sue foglie per catturare la preda. Quando è aperto, le foglie sono concave, ma quando sono chiuse le foglie sono convesse. Gli scienziati sono interessati a imitare le deformazioni controllate per applicazioni nell'elettronica morbida o negli attuatori.
Ricercatori dell'Università di Zhejiang in Cina, Università statale dell'Iowa, e l'Università di Hokkadio in Giappone hanno utilizzato idrogel periodicamente modellati per imitare il tipo di deformazioni cooperative osservate in natura. Questi idrogel si deformano spontaneamente in configurazioni tridimensionali concave e convesse che sono guidate da effetti cooperativi del vicino più prossimo. Il loro lavoro appare in Progressi scientifici .
Gli idrogel sono polimeri flessibili che assorbono acqua, alcuni dei quali sono ad alto rigonfiamento mentre altri sono a basso o non rigonfiamento. Per questo studio, Wang, et al. ha utilizzato la fotolitografia per eseguire un processo di fotopolimerizzazione in due fasi per creare una matrice bidimensionale di idrogel alternati. Hanno iniziato mettendo PAAm, un gel che non si gonfia, in un determinato schema in cui parte del gel è esposto alla luce UV. Quindi, un gel ad alto rigonfiamento, P(AAm-co-AMPS), è stato sovrapposto al gel non rigonfiante appena modellato, che è stato poi esposto ai raggi UV. Questo ha creato uno schema alternato di due gel che, dopo il rigonfiamento, ha provocato deformazioni concave e convesse alternate nei dischi di gel ad alto rigonfiamento.
La deformazione si verifica perché le regioni ad alto rigonfiamento sono vincolate dalle regioni non rigonfianti che causano l'incurvamento delle regioni ad alto rigonfiamento. Per minimizzare l'energia elastica globale, le regioni ad alto rigonfiamento alternano deformazioni concave e convesse. Il modello alternato tra i dischi ad alto rigonfiamento ha dimostrato un effetto cooperativo in quanto i dischi ad alto rigonfiamento vicini sembravano "sapere" se i loro vicini erano concavi o convessi.
Per comprendere gli effetti cooperativi dei dischi di idrogel, Wang et al. variata distanza inter-disco così come il raggio del disco dei loro gel. Hanno scoperto che per vedere effetti cooperativi, c'è una certa distanza speciale, chiamato distanza cooperativa, in cui i domini del disco di idrogel diventano cooperativi. A lunghezze maggiori di questa distanza, non hanno osservato effetti cooperativi.
La natura di queste deformazioni, compresa la distanza cooperativa, può essere controllato modificando diversi fattori. Per uno, il raggio dei singoli dischi ad alto rigonfiamento influisce sulla distanza cooperativa. Per di più, le differenze tra le capacità di rigonfiamento degli idrogel possono modificare il modello geometrico. Se gli idrogel non mostrano un grande disallineamento di rigonfiamento, quindi formeranno un motivo rombico con il disco ad alto rigonfiamento al centro circondato da quattro dischi non rigonfianti. Se i gel hanno una grande mancata corrispondenza del gonfiore, quindi i dischi non rigonfianti formano una geometria triangolare attorno ai dischi ad alto rigonfiamento.
Queste geometrie possono essere controllate modificando il carattere ionico della soluzione solvente. Per esempio, un gel modellato esagonale con un raggio del disco di 5 mm e una distanza tra i dischi di 15 mm, ha dimostrato una deformazione a forma di triangolo quando gonfiato con acqua pura. Però, quando è stato utilizzato 0,15 M NaCl, il foglio di idrogel appiattito. Ha dimostrato una forma rombica quando è stato utilizzato NaCl 0,02 M.
Inoltre, Wang et al. ha mostrato che è possibile manipolare le regioni locali dell'idrogel eseguendo un pre-gonfiore selettivo. Questo viene fatto mascherando alcuni dei dischi dal contatto con acqua o soluzione salina, che provoca il gonfiore delle aree non mascherate mentre quelle mascherate no.
Utilizzando maschere di forma diversa, gli autori hanno dimostrato che la modifica della forma dei singoli dischi di idrogel in quadrati o ellissi ha modificato la forma di instabilità localizzata. Però, i gel mantenevano ancora i loro effetti cooperativi. I loro studi hanno dimostrato che adattando i modelli di idrogel, si possono ottenere deformazioni cooperative complesse.
Infine, gli autori hanno considerato la periodicità dei loro idrogel modellati. La periodicità della dispersione può essere modificata sovrapponendo gel diversi utilizzando maschere diverse. In questo documento, PAAc e P(PAAm-co-VI), i dischi sono stati posti in gel P(AAm-co-AMPS). Questi gel hanno risposto in modo diverso a pH diversi. Due dei gel si sono rigonfiati a pH 2, formando il modello concavo-convesso. A pH 10, uno dei dischi gonfi non si è gonfiato, mentre gli altri due lo facevano. Questo modello di deformazione cooperativa attivato dallo stimolo era relativamente reversibile e può essere ulteriormente adattato utilizzando diversi idrogel.
Questo lavoro dimostra l'idea della deformazione cooperativa utilizzando idrogel periodicamente modellati, fornendo una prova di concetto che dovrebbe essere generalmente applicabile ad altri materiali.
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