Avanços na biomimética - criando respostas biológicas dentro de substâncias não biológicas - permitirão que os materiais sintéticos se comportem de maneiras que normalmente só são encontradas na natureza. A luz fornece uma ferramenta especialmente eficaz para desencadear como a vida, respostas dinâmicas dentro de uma variedade de materiais. O problema, Contudo, é que a luz aplicada é tipicamente dispersa por toda a amostra e, portanto, é difícil localizar o comportamento bioinspirado ao desejado, porções específicas do material.

Uma convergência de óptica, ciências químicas e materiais, Contudo, produziu uma nova maneira de utilizar a luz para controlar o comportamento dinâmico local dentro de um material. De um modo geral, o material iluminado imita um comportamento biológico vital:a capacidade da íris e da pupila no olho de responder dinamicamente à luz que entra. Além disso, uma vez que a luz entra na amostra, o próprio material modifica o comportamento da luz, prendendo-o dentro de regiões da amostra.

As últimas pesquisas da Swanson School of Engineering da University of Pittsburgh, Harvard University e McMaster University, revela um hidrogel que pode responder a estímulos ópticos e modificar os estímulos em resposta. As descobertas do grupo sobre esta transdução opto-quimio-mecânica foram publicadas este mês no Proceedings of the National Academy of Sciences .

Os autores de Pitt incluem Anna C. Balazs, Distinguished Professor of Chemical and Petroleum Engineering e John A. Swanson Chair of Engineering; e Victor V. Yashin, Professor Assistente de Pesquisa Visitante. Outros membros incluem Joanna Aizenberg, Amos Meeks (co-primeiro autor) e Anna V. Shneidman, Wyss Institute for Biologicamente Inspired Engineering e Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences; Ankita Shastri, Departamento de Química e Biologia Química de Harvard; e Fariha Mahmood, Derek Morim (co-primeiro autor), Kalaichelvi Saravanamuttu e Andy Tran, McMaster University, Ontário, Canadá.

"Até apenas uma década atrás, o estado preferido para os materiais era estático. Se você construiu algo, a preferência era que um material fosse previsível e imutável, "Dr. Balazs explicou." No entanto, conforme a tecnologia evolui, estamos pensando em materiais de novas maneiras e como podemos explorar suas propriedades dinâmicas para torná-los responsivos a estímulos externos.

"Por exemplo, em vez de programar um computador para fazer um dispositivo executar uma função, como podemos combinar química, ótica e materiais para imitar processos biológicos sem a necessidade de processadores cabeados e algoritmos complexos? "

As descobertas continuam a pesquisa do Dr. Balazs com hidrogéis funcionalizados com espiropirano (SP) e cromóforos fotossensíveis do material. Embora o gel SP se assemelhe à gelatina, é distinto em sua capacidade de conter feixes de luz e não dispersá-los, semelhante à maneira como as fibras ópticas controlam passivamente a luz para comunicação. Contudo, ao contrário de um polímero simples, o hidrogel cheio de água reage à luz e pode "prender" os fótons dentro de sua estrutura molecular.

"O cromóforo no hidrogel desempenha um papel importante, "ela explica." Na ausência de luz, o gel está inchado e relaxado. Mas quando exposto à luz de um feixe de laser da largura de um cabelo humano, muda sua estrutura, encolhe e se torna hidrofóbico. Isso aumenta a densidade do polímero e altera o índice de refração do hidrogel e retém a luz em regiões que são mais densas do que outras. Quando o laser é removido da fonte, o gel retorna ao seu estado normal. A capacidade da luz de afetar o gel e o gel, por sua vez, de afetar a propagação da luz cria um belo ciclo de feedback que é único em materiais sintéticos. "

Mais surpreendentemente, o grupo descobriu que a introdução de um segundo, feixe de luz paralelo cria um tipo de comunicação dentro do hidrogel. Um dos feixes auto-aprisionados não controla apenas um segundo feixe, mas também o controle pode acontecer com uma distância significativa entre os dois, graças à resposta do meio hidrogel. Dr. Yashin observa que este tipo de controle agora é possível devido à evolução dos materiais, não por causa dos avanços na tecnologia do laser.

"A primeira observação de auto-aprisionamento de luz ocorreu em 1964, mas com muito grande, lasers poderosos em condições controladas, ", disse ele." Agora podemos alcançar mais facilmente esses comportamentos em ambientes ambientais com muito menos energia, e, assim, expandir muito o uso potencial de óptica não linear em aplicações. "

O grupo acredita que as respostas opto-quimio-mecânicas apresentam uma caixa de areia potencial para a exploração em robótica suave, computação óptica e óptica adaptativa.

"Existem poucos materiais projetados com um loop de feedback integrado, "Dr. Balazs disse." A simplicidade das respostas fornece uma maneira empolgante de imitar processos biológicos, como movimento e comunicação, e abrir novos caminhos para a criação de dispositivos que não dependem do controle humano. "

Esta pesquisa foi apoiada em parte pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA sob o Prêmio W911NF-17-1-0351 e pelo Conselho de Pesquisa em Ciências Naturais e Engenharia, Fundação Canadense para Inovação.