Un nuovo materiale che si adatta naturalmente agli ambienti mutevoli è stato ispirato dalla forza, stabilità, e prestazioni meccaniche della mascella di un verme marino. Il materiale proteico, che è stato progettato e modellato dai ricercatori del Laboratorio di Meccanica Atomistica e Molecolare (LAMM) del Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale (CEE), e sintetizzato in collaborazione con l'Air Force Research Lab (AFRL) presso la Wright-Patterson Air Force Base, Ohio, si espande e si contrae in base al cambiamento dei livelli di pH e delle concentrazioni di ioni. È stato sviluppato studiando come la mascella di Nereis virens, un verme della sabbia, si forma e si adatta a diversi ambienti.

Il materiale risultante, sensibile al pH e agli ioni, è in grado di rispondere e reagire all'ambiente circostante. Comprendere questo processo naturale può essere particolarmente utile per il controllo attivo del movimento o della deformazione degli attuatori per la robotica morbida e i sensori senza utilizzare alimentazione esterna o dispositivi di controllo elettronici complessi. Potrebbe anche essere usato per costruire strutture autonome.

"La capacità di alterare drasticamente le proprietà del materiale, modificando la sua struttura gerarchica a partire dal livello chimico, offre nuove entusiasmanti opportunità per mettere a punto il materiale, e costruire sulla progettazione dei materiali naturali verso nuove applicazioni ingegneristiche, " ha scritto Markus J. Buehler, il professore di ingegneria McAfee, capo della CEE, e autore senior del documento.

La ricerca, recentemente pubblicato in ACS Nano , mostra che a seconda degli ioni e dei livelli di pH nell'ambiente, il materiale proteico si espande e si contrae in diversi schemi geometrici. Quando le condizioni cambiano di nuovo, il materiale ritorna alla sua forma originale. Ciò lo rende particolarmente utile per materiali compositi intelligenti con meccanica sintonizzabile e robotica autoalimentata che utilizzano il valore del pH e la condizione ionica per modificare la rigidità del materiale o generare deformazioni funzionali.

Trovando ispirazione nel forte, mascella stabile di un verme marino

Al fine di creare materiali di ispirazione biologica che possono essere utilizzati per la robotica morbida, sensori, e altri usi, come quello ispirato dal Nereis, gli ingegneri e gli scienziati di LAMM e AFRL avevano bisogno di capire prima come si formano questi materiali nel verme Nereis, e come alla fine si comportano nei vari ambienti. Questa comprensione ha comportato lo sviluppo di un modello che comprende tutte le diverse scale di lunghezza dal livello atomico, ed è in grado di prevedere il comportamento del materiale. Questo modello aiuta a comprendere appieno il verme Nereis e la sua eccezionale forza.

"Lavorare con AFRL ci ha dato l'opportunità di accoppiare le nostre simulazioni atomistiche con esperimenti, " ha affermato il ricercatore della CEE Francisco Martin-Martinez. AFRL ha sintetizzato sperimentalmente un idrogel, un materiale gelatinoso composto principalmente da acqua, che è composto dalla proteina Nvjp-1 ricombinante responsabile della stabilità strutturale e delle impressionanti prestazioni meccaniche della mascella di Nereis. L'idrogel è stato utilizzato per testare come la proteina si restringe e cambia il comportamento in base al pH e agli ioni nell'ambiente.

La mascella di Nereis è per lo più costituita da materia organica, il che significa che è un materiale proteico morbido con una consistenza simile alla gelatina. Nonostante ciò, la sua forza, che è stato segnalato per avere una durezza compresa tra 0,4 e 0,8 gigapascal (GPa), è simile a quello di materiali più duri come la dentina umana. "È davvero notevole che questo morbido materiale proteico, con una consistenza simile a Jell-O, può essere forte quanto i minerali calcificati che si trovano nella dentina umana e i materiali più duri come le ossa, " ha detto Buhler.

Al MIT, i ricercatori hanno esaminato il trucco della mascella di Nereis su scala molecolare per vedere cosa rende la mascella così forte e adattabile. A questa scala, le reticolazioni metalliche coordinate, la presenza di metallo nella sua struttura molecolare, fornire una rete molecolare che rende il materiale più forte e allo stesso tempo rende più dinamico il legame molecolare, e in definitiva in grado di rispondere alle mutevoli condizioni. Alla scala macroscopica, questi legami dinamici metallo-proteina determinano un comportamento di espansione/contrazione.

Combinando gli studi strutturali sulle proteine ​​di AFRL con la comprensione molecolare di LAMM, Buehler, Martin-Martinez, Il ricercatore CEE Zhao Qin, ed ex dottorando Chia-Ching Chou '15, ha creato un modello multiscala in grado di prevedere il comportamento meccanico dei materiali che contengono questa proteina in vari ambienti. "Queste simulazioni atomistiche ci aiutano a visualizzare le disposizioni atomiche e le conformazioni molecolari che stanno alla base delle prestazioni meccaniche di questi materiali, "Ha detto Martin-Martinez.

Nello specifico, utilizzando questo modello il team di ricerca è stato in grado di progettare, test, e visualizzare come le diverse reti molecolari cambiano e si adattano ai vari livelli di pH, tenendo conto delle proprietà biologiche e meccaniche.

Osservando la composizione molecolare e biologica di un Nereis virens e utilizzando il modello predittivo del comportamento meccanico del materiale proteico risultante, i ricercatori LAMM sono stati in grado di comprendere più pienamente il materiale proteico su diverse scale e fornire una comprensione completa di come tali materiali proteici si formano e si comportano in diverse impostazioni di pH. Questa comprensione guida la progettazione di nuovi materiali per robot e sensori morbidi.

Identificare il legame tra proprietà ambientali e movimento nel materiale

Il modello predittivo ha spiegato come i materiali sensibili al pH cambiano forma e comportamento, che i ricercatori hanno utilizzato per progettare nuove strutture geometriche che cambiano il pH. A seconda della forma geometrica originale testata nel materiale proteico e delle proprietà che lo circondano, i ricercatori del LAMM hanno scoperto che il materiale si muove a spirale o assume una forma simile a una conchiglia di Cypraea quando i livelli di pH vengono modificati. Questi sono solo alcuni esempi del potenziale che questo nuovo materiale potrebbe avere per lo sviluppo di robot morbidi, sensori, e strutture autonome.

Utilizzando il modello predittivo, il team di ricerca ha scoperto che il materiale non solo cambia forma, ma ritorna anche alla sua forma originale quando i livelli di pH cambiano. A livello molecolare, Gli amminoacidi istidina presenti nella proteina si legano fortemente agli ioni nell'ambiente. Questa reazione chimica molto locale tra amminoacidi e ioni metallici ha un effetto sulla conformazione complessiva della proteina su scala più ampia. Quando le condizioni ambientali cambiano, le interazioni istidina-metallo cambiano di conseguenza, che influenzano la conformazione della proteina e, a sua volta, la risposta del materiale.

"Cambiare il pH o cambiare gli ioni è come premere un interruttore. Lo accendi o spegni, a seconda dell'ambiente selezionato, e l'idrogel si espande o si contrae" ha detto Martin-Martinez.

LAMM ha scoperto che a livello molecolare, la struttura del materiale proteico viene rafforzata quando l'ambiente contiene ioni zinco e determinati livelli di pH. Questo crea legami incrociati coordinati tra metalli più stabili nella struttura molecolare del materiale, che rende le molecole più dinamiche e flessibili.

Questa visione del design del materiale e della sua flessibilità è estremamente utile per ambienti con livelli di pH variabili. La sua risposta di cambiare la sua figura al cambiamento dei livelli di acidità potrebbe essere utilizzata per la robotica morbida. "La maggior parte della robotica soft richiede l'alimentazione per guidare il movimento e per essere controllata da dispositivi elettronici complessi. Il nostro lavoro verso la progettazione di materiale multifunzionale può fornire un altro percorso per controllare direttamente la proprietà del materiale e la deformazione senza dispositivi elettronici, " disse Qin.

Studiando e modellando la composizione molecolare e il comportamento della proteina primaria responsabile delle proprietà meccaniche ideali per le prestazioni della mascella di Nereis, i ricercatori LAMM sono in grado di collegare le proprietà ambientali al movimento nel materiale e hanno una comprensione più completa della forza della mascella di Nereis.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.