I progressi nella biomimetica - la creazione di risposte biologiche all'interno di sostanze non biologiche - consentiranno ai materiali sintetici di comportarsi in modi che si trovano tipicamente solo in natura. La luce fornisce uno strumento particolarmente efficace per innescare effetti realistici, risposte dinamiche all'interno di una gamma di materiali. Il problema, però, è che la luce applicata è tipicamente dispersa in tutto il campione e quindi, è difficile localizzare il comportamento bioispirato al desiderato, porzioni specifiche del materiale.

Una convergenza di ottica, scienze chimiche e dei materiali, però, ha prodotto un nuovo modo di utilizzare la luce per controllare il comportamento dinamico locale all'interno di un materiale. In senso generale, il materiale illuminato imita un comportamento biologico vitale:la capacità dell'iride e della pupilla dell'occhio di rispondere dinamicamente alla luce in arrivo. Per di più, una volta che la luce entra nel campione, il materiale stesso modifica il comportamento della luce, intrappolandolo all'interno delle regioni del campione.

L'ultima ricerca della Swanson School of Engineering dell'Università di Pittsburgh, Università di Harvard e Università McMaster, rivela un idrogel che può rispondere agli stimoli ottici e modificare gli stimoli in risposta. I risultati del gruppo di questa trasduzione opto-chemio-meccanica sono stati pubblicati questo mese nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Gli autori di Pitt includono Anna C. Balazs, Professore distinto di ingegneria chimica e petrolifera e cattedra di ingegneria John A. Swanson; e Victor V. Yashin, Visiting Research Assistant Professor. Altri membri includono Joanna Aizenberg, Amos Meeks (co-primo autore) e Anna V. Shneidman, Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering e Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences; Ankita Shastri, Dipartimento di Chimica e Biologia Chimica di Harvard; e Fariha Mahmood, Derek Morim (co-primo autore), Kalaichelvi Saravanamuttu e Andy Tran, Università McMaster, Ontario, Canada.

"Fino a una decina di anni fa, lo stato preferito per i materiali era statico. Se hai costruito qualcosa, la preferenza era che un materiale fosse prevedibile e immutabile, "Il dottor Balazs ha spiegato. "Tuttavia, con l'evolversi della tecnologia, stiamo pensando ai materiali in modi nuovi e come possiamo sfruttare le loro proprietà dinamiche per renderli reattivi agli stimoli esterni.

"Per esempio, piuttosto che programmare un computer per fare in modo che un dispositivo esegua una funzione, come possiamo combinare la chimica, ottiche e materiali per imitare i processi biologici senza la necessità di processori cablati e algoritmi complessi?"

I risultati continuano la ricerca del dott. Balazs con idrogel funzionalizzati con spiropirano (SP) e cromofori fotosensibili del materiale. Sebbene il gel SP assomigli alla gelatina, si distingue per la sua capacità di contenere i fasci di luce e di non disperderli, simile al modo in cui le fibre ottiche controllano passivamente la luce per la comunicazione. Però, a differenza di un semplice polimero, l'idrogel pieno d'acqua reagisce alla luce e può "intrappolare" i fotoni all'interno della sua struttura molecolare.

"Il cromoforo nell'idrogel gioca un ruolo importante, " spiega. "In assenza di luce, il gel è gonfio e rilassato. Ma quando esposto alla luce di un raggio laser della larghezza di un capello umano, ne cambia la struttura, si restringe e diventa idrofobo. Ciò aumenta la densità del polimero e modifica l'indice di rifrazione dell'idrogel e intrappola la luce all'interno di regioni più dense di altre. Quando il laser viene rimosso dalla sorgente, il gel ritorna al suo stato normale. La capacità della luce di influenzare il gel e il gel a sua volta di influenzare la luce che si propaga crea un bellissimo circuito di feedback che è unico nei materiali sintetici".

Sorprendentemente, il gruppo ha riscontrato che l'introduzione di un secondo, raggio di luce parallelo crea un tipo di comunicazione all'interno dell'idrogel. Uno dei raggi autointrappolati non controlla solo un secondo raggio, ma anche il controllo può avvenire con una distanza significativa tra i due, grazie alla risposta del mezzo idrogel. Il Dr. Yashin osserva che questo tipo di controllo è ora possibile grazie all'evoluzione dei materiali, non a causa dei progressi della tecnologia laser.

"La prima osservazione dell'autointrappolamento della luce avvenne nel 1964, ma con molto grande, laser potenti in condizioni controllate, " ha detto. "Ora possiamo ottenere più facilmente questi comportamenti in ambienti ambientali con molta meno energia, e quindi ampliare notevolmente il potenziale utilizzo dell'ottica non lineare nelle applicazioni."

Il gruppo ritiene che le risposte opto-chemio-meccaniche presentino una potenziale sandbox per l'esplorazione della robotica morbida, calcolo ottico e ottica adattiva.

"Ci sono pochi materiali progettati con un ciclo di feedback integrato, " Ha detto il dottor Balazs. "La semplicità delle risposte fornisce un modo entusiasmante per imitare processi biologici come il movimento e la comunicazione, e aprire nuove strade verso la creazione di dispositivi che non dipendono dal controllo umano".

Questa ricerca è stata supportata in parte dall'Ufficio di ricerca dell'esercito americano nell'ambito del premio W911NF-17-1-0351 e dal Consiglio di ricerca di scienze naturali e ingegneria, Fondazione canadese per l'innovazione.