Um novo material que se adapta naturalmente a ambientes em mudança foi inspirado na força, estabilidade, e desempenho mecânico da mandíbula de um verme marinho. O material proteico, que foi projetado e modelado por pesquisadores do Laboratório de Mecânica Atomística e Molecular (LAMM) do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental (CEE), e sintetizado em colaboração com o Laboratório de Pesquisa da Força Aérea (AFRL) na Base da Força Aérea de Wright-Patterson, Ohio, se expande e se contrai com base na alteração dos níveis de pH e das concentrações de íons. Foi desenvolvido estudando como a mandíbula de Nereis virens, um verme da areia, se forma e se adapta em diferentes ambientes.

O material resultante, sensível ao pH e ao íon, é capaz de responder e reagir ao ambiente. Compreender esse processo que ocorre naturalmente pode ser particularmente útil para o controle ativo do movimento ou deformação de atuadores para robótica leve e sensores sem o uso de fonte de alimentação externa ou dispositivos de controle eletrônico complexos. Também pode ser usado para construir estruturas autônomas.

"A capacidade de alterar drasticamente as propriedades do material, mudando sua estrutura hierárquica começando no nível químico, oferece novas oportunidades empolgantes para ajustar o material, e construir sobre o design de material natural para novas aplicações de engenharia, "escreveu Markus J. Buehler, o professor de engenharia da McAfee, chefe da CEE, e autor sênior do artigo.

A pesquisa, publicado recentemente em ACS Nano , mostra que, dependendo dos íons e níveis de pH no ambiente, o material proteico se expande e se contrai em diferentes padrões geométricos. Quando as condições mudarem novamente, o material volta à sua forma original. Isso o torna particularmente útil para materiais compostos inteligentes com mecânica ajustável e roboticistas com alimentação própria que usam o valor do pH e a condição do íon para alterar a rigidez do material ou gerar deformações funcionais.

Encontrando inspiração nos fortes, mandíbula estável de um verme marinho

A fim de criar materiais bioinspirados que podem ser usados ​​para robótica leve, sensores, e outros usos - como o inspirado no Nereis - engenheiros e cientistas do LAMM e AFRL precisaram primeiro entender como esses materiais se formam no worm Nereis, e como eles se comportam em vários ambientes. Esse entendimento envolveu o desenvolvimento de um modelo que abrange todas as diferentes escalas de comprimento do nível atômico, e é capaz de prever o comportamento do material. Este modelo ajuda a compreender totalmente o worm Nereis e sua força excepcional.

"Trabalhar com o AFRL nos deu a oportunidade de emparelhar nossas simulações atomísticas com experimentos, "disse o cientista de pesquisa da CEE Francisco Martin-Martinez. O AFRL sintetizou experimentalmente um hidrogel, um material semelhante a um gel feito principalmente de água, que é composto de proteína Nvjp-1 recombinante responsável pela estabilidade estrutural e desempenho mecânico impressionante da mandíbula de Nereis. O hidrogel foi usado para testar como a proteína encolhe e muda o comportamento com base no pH e íons no ambiente.

A mandíbula de Nereis é feita principalmente de matéria orgânica, o que significa que é um material proteico macio com uma consistência semelhante à da gelatina. Apesar disso, sua força, que foi relatado como tendo uma dureza que varia entre 0,4 e 0,8 gigapascais (GPa), é semelhante ao de materiais mais duros como a dentina humana. "É notável que este material proteico macio, com uma consistência semelhante a Jell-O, podem ser tão fortes quanto minerais calcificados que são encontrados na dentina humana e materiais mais duros, como ossos, "Buehler disse.

No MIT, os pesquisadores analisaram a composição da mandíbula de Nereis em escala molecular para ver o que a torna tão forte e adaptável. Nesta escala, as ligações cruzadas coordenadas por metal, a presença de metal em sua estrutura molecular, fornecer uma rede molecular que torna o material mais forte e ao mesmo tempo torna a ligação molecular mais dinâmica, e, em última análise, capaz de responder às mudanças nas condições. Na escala macroscópica, essas ligações metal-proteína dinâmicas resultam em um comportamento de expansão / contração.

Combinando os estudos estruturais da proteína do AFRL com a compreensão molecular do LAMM, Buehler, Martin-Martinez, Zhao Qin, cientista pesquisador do CEE, e a ex-estudante de doutorado Chia-Ching Chou '15, criou um modelo multiescala capaz de prever o comportamento mecânico de materiais que contêm essa proteína em diversos ambientes. "Essas simulações atomísticas nos ajudam a visualizar os arranjos atômicos e as conformações moleculares que sustentam o desempenho mecânico desses materiais, "Martin-Martinez disse.

Especificamente, usando este modelo, a equipe de pesquisa foi capaz de projetar, teste, e visualizar como diferentes redes moleculares mudam e se adaptam a vários níveis de pH, tendo em conta as propriedades biológicas e mecânicas.

Observando a composição molecular e biológica de um Nereis virens e usando o modelo preditivo do comportamento mecânico do material proteico resultante, os pesquisadores do LAMM foram capazes de compreender mais completamente o material proteico em diferentes escalas e fornecer uma compreensão abrangente de como esses materiais protéicos se formam e se comportam em diferentes configurações de pH. Essa compreensão orienta novos designs de materiais para sensores e robôs soft.

Identificar a ligação entre as propriedades ambientais e o movimento do material

O modelo preditivo explicou como os materiais sensíveis ao pH mudam de forma e comportamento, que os pesquisadores usaram para projetar novas estruturas geométricas que mudam o PH. Dependendo da forma geométrica original testada no material proteico e das propriedades que o cercam, os pesquisadores do LAMM descobriram que o material ou espirais ou assume a forma de concha do Cypraea quando os níveis de pH são alterados. Estes são apenas alguns exemplos do potencial que este novo material pode ter para o desenvolvimento de robôs soft, sensores, e estruturas autônomas.

Usando o modelo preditivo, a equipe de pesquisa descobriu que o material não muda apenas de forma, mas também retorna à sua forma original quando os níveis de pH mudam. No nível molecular, Os aminoácidos histidina presentes na proteína ligam-se fortemente aos íons do meio ambiente. Essa reação química muito local entre os aminoácidos e os íons metálicos tem um efeito na conformação geral da proteína em uma escala maior. Quando as condições ambientais mudam, as interações histidina-metal mudam de acordo, que afetam a conformação da proteína e, por sua vez, a resposta do material.

"Mudar o pH ou mudar os íons é como apertar um botão. Você liga ou desliga, dependendo do ambiente que você selecionar, e o hidrogel se expande ou contrai ", disse Martin-Martinez.

LAMM descobriu que a nível molecular, a estrutura do material proteico é fortalecida quando o ambiente contém íons de zinco e certos níveis de pH. Isso cria ligações cruzadas coordenadas de metal mais estáveis ​​na estrutura molecular do material, o que torna as moléculas mais dinâmicas e flexíveis.

Essa percepção do design do material e sua flexibilidade são extremamente úteis para ambientes com níveis de pH variáveis. Sua resposta de mudar sua figura às mudanças nos níveis de acidez poderia ser usada para robótica suave. "A maioria da robótica leve requer fornecimento de energia para conduzir o movimento e ser controlada por dispositivos eletrônicos complexos. Nosso trabalho para projetar material multifuncional pode fornecer outro caminho para controlar diretamente a propriedade do material e a deformação sem dispositivos eletrônicos, "disse Qin.

Ao estudar e modelar a composição molecular e o comportamento da proteína primária responsável pelas propriedades mecânicas ideais para o desempenho da mandíbula de Nereis, os pesquisadores do LAMM são capazes de vincular propriedades ambientais ao movimento do material e ter uma compreensão mais abrangente da força da mandíbula de Nereis.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.