(Phys.org) —Na natureza, alguns organismos usam deformações para criar movimento tridimensional. Um exemplo é a armadilha para mosca de Vênus, que abre e fecha suas folhas para pegar a presa. Quando aberto, as folhas são côncavas, mas quando fechadas as folhas são convexas. Os cientistas estão interessados ​​em simular deformações controladas para aplicações em eletrônica suave ou atuadores.

Pesquisadores da Universidade de Zhejiang na China, Iowa State University, e a Universidade Hokkadio, no Japão, usaram hidrogéis padronizados periodicamente para imitar o tipo de deformações cooperativas vistas na natureza. Esses hidrogéis se deformam espontaneamente em configurações tridimensionais côncavas e convexas que são guiadas pelos efeitos cooperativos do vizinho mais próximo. O trabalho deles aparece em Avanços da Ciência .

Os hidrogéis são polímeros flexíveis que absorvem água, alguns dos quais apresentam inchaço alto, enquanto outros apresentam baixo ou nenhum inchaço. Para este estudo, Wang, et al. usou a fotolitografia para fazer um processo de fotopolimerização em duas etapas para criar uma matriz bidimensional de hidrogéis alternados. Eles começaram colocando o PAAm, um gel que não incha, em um determinado padrão em que parte do gel é exposto à luz ultravioleta. Então, um gel de alto inchaço, P (AAm-co-AMPS), foi sobreposto no gel anti-inchaço recém-padronizado, que foi então exposto à luz ultravioleta. Isso criou um padrão alternado de dois géis que, ao inchar, resultou em deformações côncavas e convexas alternadas nos discos de gel de alta dilatação.

A deformação ocorre porque as regiões de alto intumescimento são restringidas pelas regiões de não intumescimento, fazendo com que as regiões de alto intumescimento se dobrem. Para minimizar a energia elástica global, as regiões de alto inchaço alternam entre deformações côncavas e convexas. O padrão alternado entre os discos de alto inchaço demonstrou um efeito cooperativo em que os discos vizinhos de alto inchaço pareciam "saber" se seus vizinhos eram côncavos ou convexos.

Para entender os efeitos cooperativos dos discos de hidrogel, Wang et al. distância entre discos variada, bem como o raio do disco de seus géis. Eles descobriram que, para ver os efeitos cooperativos, há uma certa distância especial, chamada distância cooperativa, em que os domínios do disco de hidrogel tornam-se cooperativos. Em comprimentos maiores do que esta distância, eles não observaram efeitos cooperativos.

A natureza dessas deformações, incluindo a distância cooperativa, pode ser controlado modificando vários fatores. Para um, o raio dos discos individuais de alto inchaço afeta a distância cooperativa. Além disso, diferenças entre as habilidades de dilatação dos hidrogéis podem alterar o padrão geométrico. Se os hidrogéis não apresentarem um grande inchaço incompatível, em seguida, eles formarão um padrão rômbico com o disco de alta dilatação no meio rodeado por quatro discos não dilatados. Se os géis tiverem um grande inchaço incompatível, então, os discos que não aumentam de volume formam uma geometria triangular em torno dos discos de grande expansão.

Essas geometrias podem ser controladas alterando o caráter iônico da solução solvente. Por exemplo, um gel padronizado hexagonalmente arranjado com um raio de disco de 5 mm e distância entre os discos de 15 mm, demonstrou deformação em forma de triângulo quando inchado com água pura. Contudo, quando NaCl 0,15 M foi usado, a folha de hidrogel achatada. Ele demonstrou uma forma rômbica quando NaCl 0,02 M foi usado.

Adicionalmente, Wang et al. mostrou que você pode manipular regiões locais do hidrogel fazendo pré-intumescimento seletivo. Isso é feito mascarando alguns dos discos de entrar em contato com água ou solução salina, o que resulta no inchaço das áreas não mascaradas, enquanto as mascaradas não.

Usando máscaras de formatos diferentes, os autores mostraram que mudar a forma dos discos de hidrogel individuais para quadrados ou elipses mudou a forma de flambagem localizada. Contudo, os géis ainda mantiveram seus efeitos cooperativos. Seus estudos mostraram que, ao adaptar os padrões de hidrogel, pode-se obter deformações cooperativas complexas.

Por último, os autores consideraram a periodicidade de seus hidrogéis padronizados. A periodicidade de dispersão pode ser alterada por camadas de géis diferentes usando máscaras diferentes. Nesse artigo, PAAc e P (PAAm-co-VI), os discos foram colocados em gel P (AAm-co-AMPS). Esses géis responderam de maneira diferente em diferentes pH. Dois dos géis incharam em pH 2, formando o padrão côncavo-convexo. Em um pH de 10, um dos discos inchados não inchou, enquanto os outros dois fizeram. Este padrão de deformação cooperativa desencadeada por estímulo foi relativamente reversível e pode ser adaptado usando diferentes hidrogéis.

Este trabalho demonstra a ideia de deformação cooperativa usando hidrogéis periodicamente padronizados, fornecer uma prova de conceito que deve ser geralmente aplicável a outros materiais.

© 2017 Phys.org