I cuscinetti dei piedi notoriamente appiccicosi dei gechi sono ricoperti di setole, microscopiche, strutture simili a peli la cui composizione chimica e fisica e l'elevata flessibilità consentono alla lucertola di aggrapparsi a pareti e soffitti con facilità. Gli scienziati hanno cercato di replicare tali microstrutture dinamiche in laboratorio con una varietà di materiali, compresi elastomeri a cristalli liquidi (LCE), che sono reti gommose con gruppi cristallini liquidi attaccati che dettano le direzioni in cui le LCE possono muoversi e allungarsi. Finora, gli LCE sintetici sono stati per lo più in grado di deformarsi solo in una o due dimensioni, limitando la capacità delle strutture di muoversi nello spazio e assumere forme diverse.

Ora, un gruppo di scienziati del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering di Harvard e della John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ha sfruttato i campi magnetici per controllare la struttura molecolare degli LCE e creare forme polimeriche tridimensionali microscopiche che possono essere programmate per muoversi in qualsiasi direzione in risposta a molteplici tipi di stimoli. Il lavoro, segnalato in PNAS , potrebbe portare alla creazione di una serie di dispositivi utili, compresi i pannelli solari che girano per seguire il sole per una migliore cattura dell'energia.

"L'aspetto critico di questo progetto è che siamo in grado di controllare la struttura molecolare allineando i cristalli liquidi in una direzione arbitraria nello spazio 3D, permettendoci di programmare quasi qualsiasi forma nella geometria del materiale stesso, " ha detto il primo autore Yuxing Yao, che è uno studente laureato nel laboratorio di Joanna Aizenberg, membro fondatore della facoltà di Wyss, dottorato di ricerca

Le microstrutture create dal team di Yao e Aizenberg sono costituite da LCE colati in forme arbitrarie che possono deformarsi in risposta al calore, leggero, e umidità, e la cui specifica riconfigurazione è controllata dalle proprie proprietà chimiche e materiali. I ricercatori hanno scoperto che esponendo i precursori LCE a un campo magnetico mentre venivano sintetizzati, tutti gli elementi liquido cristallini all'interno degli LCE si sono allineati lungo il campo magnetico e hanno mantenuto questo allineamento molecolare dopo che il polimero si è solidificato. Variando la direzione del campo magnetico durante questo processo, gli scienziati potrebbero dettare come le forme LCE risultanti si deformerebbero se riscaldate a una temperatura che interrompeva l'orientamento delle loro strutture cristalline liquide. Quando viene riportato a temperatura ambiente, le strutture deformate hanno ripreso il loro iniziale, forma orientata verso l'interno.

Tali cambiamenti di forma programmati potrebbero essere utilizzati per creare messaggi crittografati che vengono rivelati solo quando riscaldati a una temperatura specifica, attuatori per piccoli robot morbidi, o materiali adesivi la cui viscosità può essere attivata e disattivata. Il sistema può anche far piegare autonomamente le forme in direzioni che normalmente richiederebbero l'input di una certa energia per essere raggiunte. Per esempio, è stato dimostrato che una piastra LCE non solo subisce una flessione "tradizionale" fuori dal piano, ma anche piegatura o torsione in piano, allungamento, e contrazione. Inoltre, movimenti unici potrebbero essere ottenuti esponendo diverse regioni di una struttura LCE a più campi magnetici durante la polimerizzazione, che poi si deformava in direzioni diverse quando veniva riscaldato.

Il team è stato anche in grado di programmare le loro forme LCE per riconfigurarsi in risposta alla luce incorporando molecole di reticolazione sensibili alla luce nella struttura durante la polimerizzazione. Quindi, quando la struttura veniva illuminata da una certa direzione, il lato rivolto alla luce si contrasse, facendo piegare l'intera forma verso la luce. Questo tipo di movimento autoregolato consente agli LCE di deformarsi in risposta al loro ambiente e di riorientarsi continuamente per seguire autonomamente la luce.

Inoltre, Gli LCE possono essere creati con proprietà di risposta sia al calore che alla luce, tale che una struttura monomateriale è ora in grado di molteplici forme di movimento e meccanismi di risposta.

Un'applicazione entusiasmante di questi LCE multireattivi è la creazione di pannelli solari ricoperti di microstrutture che si girano per seguire il sole mentre si muove nel cielo come un girasole, risultando così in una cattura della luce più efficiente. La tecnologia potrebbe anche costituire la base di radio autonome che seguono la sorgente, crittografia multilivello, sensori, ed edifici intelligenti.

"Il nostro laboratorio ha attualmente diversi progetti in corso in cui stiamo lavorando per controllare la chimica di questi LCE per consentire un'esperienza unica, comportamenti di deformazione precedentemente invisibili, poiché riteniamo che queste strutture dinamiche bioispirate abbiano il potenziale per trovare impiego in numerosi campi, " ha detto Aizenberg, che è anche Amy Smith Berylson Professor of Material Science presso SEAS.

"Porsi domande fondamentali su come funziona la natura e se è possibile replicare strutture e processi biologici in laboratorio è al centro dei valori del Wyss Institute, e spesso può portare a innovazioni che non solo corrispondono alle capacità della Natura, ma migliorarli per creare nuovi materiali e dispositivi che altrimenti non esisterebbero, ", ha affermato il direttore fondatore del Wyss Institute, Donald Ingber, M.D., dottorato di ricerca, che è anche Judah Folkman Professor of Vascular Biology presso la Harvard Medical School e il Vascular Biology Program presso il Boston Children's Hospital, nonché Professore di Bioingegneria presso SEAS.