Immagina un piccolo, muscolo improvvisato che può arricciare un peso sospeso di 20 milligrammi se esposto alla luce. Nelle giuste condizioni, un altro mix racchiude abbastanza potenza per schiacciare un centesimo.

I ricercatori della Washington University di St. Louis hanno creato un tipo completamente nuovo di muscolo molecolare artificiale da un polimero che è in grado di sollevare carichi pesanti, in termini relativi.

"Il trigger esterno che avvia il processo di attivazione può essere qualcosa di semplice come la luce del sole, " ha detto Jonathan Barnes, assistente professore di chimica in Arts &Sciences e Packard Fellow 2017. Il nuovo polimero, che cambia colore e si contrae quando esposto alla luce visibile, è descritto in una pubblicazione del 24 gennaio di un numero speciale di Macromolecular Rapid Communications.

Barnes e il suo team hanno lavorato alla loro prova di concetto per il nuovo polimero redox-responsive, uno che si contrae quando gli elettroni vengono aggiunti (riduzione) e si espande quando vengono tolti (ossidazione) da quando ha iniziato alla Washington University in meno di due anni fa.

L'autunno scorso, hanno dimostrato di poter costruire con successo il loro polimero funzionale e incorporarlo in un flessibile, materiale sfuso chiamato idrogel. Il materiale risultante potrebbe essere contratto fino a un decimo del suo volume originale e quindi riportato alla sua dimensione originale, le sue lunghe catene polimeriche si piegano e si dispiegano delicatamente in tre dimensioni.

L'idrogel contiene complessivamente il 5% di polimero, di cui solo il 5 per cento è il nuovo, polimero funzionale; il resto è solo acqua. Ciò significa che solo lo 0,25 percento dell'idrogel totale è il polimero funzionale, un numero incredibilmente basso in campo.

"Se guardi altri materiali, il polimero attivo è di solito in ogni collegamento, " ha detto Angelique Greene, un borsista post-dottorato nel laboratorio di Barnes. "Il nostro è molto diluito, eppure i nostri idrogel si sono comunque comportati a un ritmo comparabile e talvolta anche migliore".

Tirando il proprio peso

Ma il muscolo molecolare doveva ancora essere attivato dalla riduzione chimica in una soluzione umida. Per affrontare il fattore slosh, i ricercatori hanno quindi introdotto catalizzatori fotoredox che assorbono la luce visibile, incorporato nel gel, e spostarono i loro muscoli su un terreno asciutto.

Era il momento per una prova di forza.

"Volevamo dimostrare che non solo poteva cambiare forma, o piegare, o cambia colore, ma in realtà funzionano, " ha detto Barnes.

I ricercatori hanno applicato il loro gel dalle prestazioni migliori su un pezzo di nastro isolante nero, e poi attaccato un piccolo, pezzo leggero di filo di alluminio che tiene un piccolo peso di 20 milligrammi sul fondo. L'hanno esposto a una luce blu, e, dopo cinque ore, il polimero aveva spostato il peso sospeso di diversi centimetri dalla sua posizione di partenza.

"Qui abbiamo un controllo molto preciso, "ha detto Kevin Liles, un dottorato di ricerca candidato in chimica che ha co-scritto il nuovo studio, insieme a Greene. "Possiamo irradiare il polimero per un certo periodo di tempo, fermarlo ad un certo numero di gradi (di piega), o irradiare una certa porzione e farla contrarre in determinate aree."

Cinque ore potrebbero sembrare tante per spostarsi di qualche centimetro, ma Barnes non è preoccupato che Madre Natura lo faccia più velocemente.

"Se hai mai visto un fiore o una pianta sul fianco di una montagna, si piega sempre verso dove c'è la luce, " ha detto Barnes. "La natura trova il modo di adattarsi per ottimizzare la quantità di sorgente luminosa che colpisce i suoi petali. Questo materiale in linea di principio fa esattamente la stessa cosa."

I ricercatori stanno ora studiando come accoppiare il loro nuovo polimero funzionale con altri più resistenti e in grado di sollevare carichi più pesanti. Vogliono anche capire come controllare i muscoli molecolari artificiali usando gli elettrodi. Questa azione sarebbe simile al modo in cui i segnali elettrici vengono trasmessi nel corpo, e potrebbe aprire la strada a future applicazioni protesiche.