Los avances en biomimética - creando respuestas biológicas dentro de sustancias no biológicas - permitirán que los materiales sintéticos se comporten de maneras que normalmente solo se encuentran en la naturaleza. La luz proporciona una herramienta especialmente efectiva para desencadenar respuestas dinámicas y realistas dentro de un rangoSin embargo, el problema es que la luz aplicada generalmente se dispersa por toda la muestra y, por lo tanto, es difícil localizar el comportamiento bioinspirante en las porciones específicas deseadas del material.
Sin embargo, una convergencia de las ciencias ópticas, químicas y de materiales ha dado como resultado una nueva forma de utilizar la luz para controlar el comportamiento dinámico local dentro de un material. En un sentido general, el material iluminado imita un comportamiento biológico vital: la capacidad deliris y pupila en el ojo para responder dinámicamente a la luz entrante. Además, una vez que la luz ingresa a la muestra, el material en sí modifica el comportamiento de la luz, atrapándola dentro de las regiones de la muestra.
La última investigación de la Escuela de Ingeniería Swanson de la Universidad de Pittsburgh, la Universidad de Harvard y la Universidad de McMaster, revela un hidrogel que puede responder a los estímulos ópticos y modificar los estímulos en respuesta. Los hallazgos del grupo de esta transducción opto-quimio-mecánica fueron publicadoseste mes en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
Los autores de Pitt incluyen a Anna C. Balazs, profesora distinguida de ingeniería química y petrolera y presidente de ingeniería de John A. Swanson; y Victor V. Yashin, profesor asistente de investigación visitante. Otros miembros incluyen a Joanna Aizenberg, Amos Meeks coprimeraautor y Anna V. Shneidman, Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada y Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences; Ankita Shastri, Departamento de Química y Biología Química de Harvard; y Fariha Mahmood, Derek Morim co-primer autor, Kalaichelvi Saravanamuttu y Andy Tran, Universidad de McMaster, Ontario, Canadá.
"Hasta hace apenas una década, el estado preferido para los materiales era estático. Si construía algo, la preferencia era que un material fuera predecible e inmutable", explicó el Dr. Balazs. "Sin embargo, a medida que la tecnología evoluciona, estamospensando en los materiales de nuevas maneras y cómo podemos explotar sus propiedades dinámicas para que respondan a los estímulos externos.
"Por ejemplo, en lugar de programar una computadora para que un dispositivo realice una función, ¿cómo podemos combinar la química, la óptica y los materiales para imitar procesos biológicos sin la necesidad de procesadores cableados y algoritmos complejos?"
Los hallazgos continúan la investigación del Dr. Balazs con hidrogeles funcionalizados con espiropirano SP y los cromóforos fotosensibles del material. Aunque el gel SP se asemeja a la gelatina, su capacidad de contener haces de luz y no dispersarlos es similar.a la manera en que la fibra óptica controla pasivamente la luz para la comunicación. Sin embargo, a diferencia de un polímero simple, el hidrogel lleno de agua reacciona a la luz y puede "atrapar" los fotones dentro de su estructura molecular.
"El cromóforo en el hidrogel juega un papel importante", explica. "En ausencia de luz, el gel está hinchado y relajado. Pero cuando se expone a la luz de un rayo láser del ancho de un cabello humano, cambiase estructura, se contrae y se vuelve hidrófobo. Esto aumenta la densidad del polímero y cambia el índice de refracción del hidrogel y atrapa la luz dentro de regiones que son más densas que otras. Cuando se retira el láser de la fuente, el gel vuelve a su estado normal.la capacidad de la luz para afectar el gel y el gel a su vez para afectar la luz que se propaga crea un hermoso circuito de retroalimentación que es único en materiales sintéticos ".
Lo más sorprendente es que el grupo descubrió que la introducción de un segundo haz de luz paralelo crea un tipo de comunicación dentro del hidrogel. Uno de los haces auto atrapados no solo controla un segundo haz, sino que el control puede ocurrir con undistancia significativa entre los dos, gracias a la respuesta del medio de hidrogel. El Dr. Yashin señala que este tipo de control ahora es posible debido a la evolución de los materiales, no debido a los avances en la tecnología láser.
"La primera observación de captura automática de luz ocurrió en 1964, pero con láseres muy grandes y potentes en condiciones controladas", dijo. "Ahora podemos lograr más fácilmente estos comportamientos en entornos ambientales con mucha menos energía, y por lo tantoampliar en gran medida el uso potencial de la óptica no lineal en las aplicaciones "
El grupo cree que las respuestas opto-quimio-mecánicas presentan una caja de arena potencial para la exploración de la robótica suave, la computación óptica y la óptica adaptativa.
"Hay pocos materiales diseñados con un circuito de retroalimentación incorporado", dijo el Dr. Balazs. "La simplicidad de las respuestas proporciona una forma emocionante de imitar procesos biológicos como el movimiento y la comunicación, y abrir nuevas vías hacia la creación de dispositivos queno dependen del control humano "
Esta investigación fue apoyada en parte por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. Bajo el Premio W911NF-17-1-0351 y por el Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería, Fundación Canadiense para la Innovación.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Pittsburgh . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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