I ricercatori hanno addestrato con successo un materiale per rispondere a uno stimolo originariamente neutro, un gel a cui si può insegnare a sciogliersi senza bisogno di riscaldamento. Il loro lavoro, recentemente pubblicato in Comunicazioni sulla natura , è stato ispirato dal concetto di condizionamento classico nella psicologia comportamentale, meglio conosciuto come l'esperimento del cane di Pavlov.

Per esplorare se il condizionamento classico possa essere ottenuto nei materiali artificiali, i ricercatori hanno realizzato un gel solido a base di agarosio, una sostanza comunemente estratta dalle alghe, miscelato con acqua e nanoparticelle di oro modificato. Quando questo gel ha brillato di luce rossa e blu, non succede niente. Se sciogli il gel riscaldandolo, raffreddare di nuovo in modo che si solidifichi di nuovo, e poi risplendi di luce rossa e blu su di esso, non succede nemmeno niente di entusiasmante. Ma se sciogli il gel mentre lo illumini di luce rossa e blu, quindi raffreddarlo di nuovo in un gel, il gel si scioglierà spontaneamente la prossima volta che accendi una luce rossa e blu su di esso. Ha così "imparato" a rispondere a un nuovo stimolo.

Nel famoso esperimento di condizionamento classico di Ivan Pavlov in psicologia sperimentale che tratta di semplici forme di apprendimento, un cane potrebbe essere addestrato a salivare quando sentiva un campanello. Pavlov ha addestrato il cane a comportarsi in questo modo suonando un campanello ogni volta che dava da mangiare al cane:il cane associava il suono del campanello al cibo e iniziava a sbavare quando sentiva suonare il campanello. Il gel sviluppato dai team dell'Università di Aalto e dell'Università di Tampere imita questo processo con il riscaldamento corrispondente al cibo e la luce colorata corrispondente alla campana.

"Concettualmente questo è molto nuovo, non c'è davvero nessuno che produca materiali che mostrino questa risposta pavloviana. Eravamo interessati a introdurre i concetti elementari dell'apprendimento ai materiali artificiali", ha spiegato il dott. Hang Zhang, il postdoc che ha sviluppato il materiale e che è il primo autore dell'articolo di luglio su Nature Communications. In qualità di membro del gruppo di ricerca sui materiali molecolari e del Centro di eccellenza HYBER di Aalto, lavora su materiali di ispirazione biologica. Oltre al dottor Hang Zhang, il team di ricerca comprendeva il Dr. Hao Zeng e il Prof. Arri Priimägi dell'Università di Tampere, e il Prof. Olli Ikkala dell'Università di Aalto. Il progetto è stato sostenuto da due progetti finanziati dal Consiglio europeo della ricerca (CER), PHOTOTUNE e DRIVEN.

Il gel può essere addestrato perché le nanoparticelle d'oro nella miscela sono sensibili all'acidità dell'ambiente circostante. Le nanoparticelle sono inizialmente distribuite in modo casuale in tutto il gel. Se sciogli il gel e lo solidifichi senza illuminazione, rimangono distribuiti casualmente. Però, se sciogli il gel mentre lo illumini con luce blu e rossa, le nanoparticelle si uniscono e formano piccole catene. Ciò avviene grazie ad un fotoacido, un ultimo ingrediente "segreto" nel gel. Il fotoacido rende il gel più acido quando la luce colorata viene puntata su di esso, e quando questo accade in un gel fuso, fa sì che le nanoparticelle si formino in catene. Quando fai brillare luce blu e rossa sul gel contenente catene di nanoparticelle d'oro, le catene si riscaldano in un modo che le singole nanoparticelle non fanno, a causa di un processo chiamato accoppiamento plasmonico. Questo forma una "memoria ottica attivabile". Far riscaldare le catene usando la luce blu e rossa fa sì che il gel si sciolga.

Il gel potrà poi essere fatto anche per "dimenticare" questo allenamento, parallelamente al modo in cui l'apprendimento può essere dimenticato dagli esseri umani. Il trucco è usare una combinazione di sostanze chimiche (urea e ureasi) aggiunte al gel durante la fabbricazione, che rilascia lentamente ammoniaca che rompe le catene di nanoparticelle. Circa 12 ore dopo l'allenamento, il materiale non fonde più quando viene illuminato dalla luce e perde così la sua memoria.

"In termini di applicazioni pratiche, c'è ancora molta strada da fare per un progetto così concettualmente nuovo." Il dottor Zhang ha riso. "L'importante è che possiamo condizionare i materiali artificiali in modo programmato usando stimoli esterni e giocare chimicamente con la sua memoria. We foresee that other types of learning materials can be designed with a wide array of induced properties, and that conditioning could become a general concept in materials science."