Теперь исследователи из Университета Питтсбурга продемонстрировали такую биомиметическую реакцию с использованием гидрогелей — материала, который составляет большинство контактных линз и микрофлюидных или жидкостных технологий. Их исследование, опубликованное в журнале Advanced Functional Materials, впервые показывает, что эти гели можно как реконфигурировать, так и контролировать с помощью света, совершая самоподдерживающееся движение — уникальное биомиметическое поведение.
«Представьте себе квартиру с определенным расположением комнат в одном месте», — сказала ведущий автор Анна Балаш, заслуженный профессор химической и нефтяной инженерии Питта в Инженерной школе Свансона. «Теперь рассмотрим возможность освещения этой конструкции светильниками определенной конфигурации и тем самым полностью изменить не только всю планировку, но и расположение квартиры. Это то, что мы продемонстрировали с гидрогелями."
Вместе с Ольгой Куксенок, доцентом-исследователем в Swanson School, Балаш экспериментировал с новым типом гидрогеля, содержащим молекулы спиробензопирана. Ранее было показано, что такие материалы образуют отчетливые двухмерные узоры на изначально плоских поверхностях при воздействии различных источников света и являются гидрофильными («любят» воду) в темноте, но становятся гидрофобными («не любят» воду) при освещении синим светом.
Поэтому Балаш и Куксенок ожидали, что свет может быть полезным стимулом для изменения формы геля.
Используя компьютерное моделирование, команда Питта продемонстрировала, что гели «убегают» при воздействии света, демонстрируя прямое устойчивое движение. Команда также учла тепло — сочетая свет и локальные колебания температуры, чтобы дополнительно контролировать движения образцов.
По словам Балаша, управление материалом с помощью света и температуры может быть применимо с точки зрения регулирования движения микроскопической «конвейерной ленты» или «подъемника» в микрожидкостном устройстве.
«Это теоретическое моделирование указывает на новый способ придания гелям любой формы, одновременно заставляя гели двигаться из-за присутствия света», — сказал Куксенок.
«Представьте, например, что вы могли бы взять один лист гидрогеля и, при соответствующем использовании света, придать ему форму линзы, которую можно было бы использовать в оптических приложениях», — добавил Балаш.
Команда также продемонстрировала, что гели могут подвергаться динамической реконфигурации, а это означает, что с другой комбинацией света гель можно использовать для другой цели. Реконфигурируемые системы особенно полезны, потому что их можно использовать повторно, что приводит к значительному снижению затрат.
«Вам не нужно конструировать новое устройство для каждого нового приложения», — сказал Балаш. "Проводя свет по системе в разных направлениях, вы можете дополнительно контролировать движения системы, дополнительно регулируя поток материалов."
Балаш сказал, что этот тип динамической реконфигурации в ответ на внешние сигналы особенно полезен в области функциональных материалов. Такие процессы, по ее словам, окажут существенное влияние на производство и устойчивость, поскольку один и тот же образец может использоваться и повторно использоваться для нескольких приложений.
Теперь команда изучит эффект встраивания микроскопических волокон в гель для дальнейшего контроля формы и реакции материала на другие раздражители.
Финансирование этого исследования было предоставлено U.S. Департамент энергетики.