Os pesquisadores treinaram com sucesso um material para responder a um estímulo originalmente neutro, um gel que pode ser ensinado a derreter sem a necessidade de aquecimento. Trabalho deles, publicado recentemente em Nature Communications , foi inspirado no conceito de condicionamento clássico em psicologia comportamental, mais conhecido como o experimento do cão de Pavlov.

Para explorar se o condicionamento clássico pode ser alcançado em materiais artificiais, os pesquisadores fizeram um gel sólido à base de agarose, uma substância comumente extraída de algas marinhas, misturado com água e nanopartículas de ouro modificadas. Quando este gel tem luz vermelha e azul brilhando sobre ele, nada acontece. Se você derreter o gel por aquecimento, resfrie-o de volta para que se solidifique novamente, e, em seguida, brilhar luz vermelha e azul sobre ele, nada de excitante acontece também. Mas se você derreter o gel enquanto o ilumina com luz vermelha e azul, em seguida, resfrie-o de volta em um gel, o gel derreterá espontaneamente na próxima vez que você iluminar com luz vermelha e azul. Assim, "aprendeu" a responder a um novo estímulo.

No famoso experimento de condicionamento clássico de Ivan Pavlov em psicologia experimental lidando com formas simples de aprendizagem, um cão pode ser treinado para salivar ao ouvir um sino. Pavlov treinou o cachorro para se comportar assim, tocando uma campainha toda vez que o alimentasse - o cachorro associava o som da campainha com sua comida e começava a babar quando ouvia a campainha. O gel desenvolvido por equipes da Aalto University e da Tampere University simula esse processo com o aquecimento correspondente ao alimento e a luz colorida correspondente ao sino.

"Conceitualmente, isso é muito novo, não há realmente ninguém fazendo materiais que mostram essa resposta pavloviana. Estávamos interessados ​​em introduzir os conceitos elementares de aprendizagem em materiais artificiais ", explicou o Dr. Hang Zhang, o pós-doutorado que desenvolveu o material e que é o primeiro autor do artigo de julho na Nature Communications. Como membro do grupo de pesquisa de Materiais Moleculares e do Centro de Excelência HYBER em Aalto, ele trabalha com materiais de inspiração biológica. Além do Dr. Hang Zhang, a equipe de pesquisa incluiu o Dr. Hao Zeng e o Prof. Arri Priimägi da Universidade de Tampere, e Prof. Olli Ikkala da Aalto University. O projeto foi apoiado por dois projetos financiados pelo European Research Council (ERC), PHOTOTUNE e DRIVEN.

O gel pode ser treinado porque as nanopartículas de ouro na mistura são sensíveis à acidez do ambiente. As nanopartículas são inicialmente espalhadas aleatoriamente por todo o gel. Se você derreter o gel e solidificá-lo sem iluminação, eles permanecem distribuídos aleatoriamente. Contudo, se você derreter o gel enquanto o ilumina com luz azul e vermelha, as nanopartículas se unem e formam pequenas cadeias. Isso ocorre graças a um fotoácido, um ingrediente "secreto" final no gel. O fotoácido torna o gel mais ácido quando a luz colorida incide sobre ele, e quando isso acontece em um gel derretido, faz com que as nanopartículas se formem em cadeias. Quando você ilumina a luz azul e vermelha no gel contendo cadeias de nanopartículas de ouro, as cadeias aquecem de uma forma que as próprias nanopartículas individuais não aquecem, devido a um processo denominado acoplamento plasmônico. Isso forma uma "memória óptica acionável". Fazer as correntes aquecerem usando luz azul e vermelha faz com que o gel se derreta.

O gel também pode ser feito posteriormente para "esquecer" esse treinamento, paralelamente à maneira pela qual o aprendizado pode ser esquecido pelos humanos. O truque é usar uma combinação de produtos químicos (ureia e urease) adicionados ao gel durante a fabricação, que libera lentamente amônia que quebra as cadeias de nanopartículas. Cerca de 12 horas após o treinamento, o material não se derrete mais quando iluminado pela luz e, portanto, perde sua memória.

“Em termos de aplicações práticas, there is a long way to go for such a conceptually new project." Dr. Zhang laughed. "The important thing is that we can condition artificial materials in a programmed way using external stimuli and play with its memory chemically. We foresee that other types of learning materials can be designed with a wide array of induced properties, and that conditioning could become a general concept in materials science."