Ny molekylär muskel svarar mot synligt ljus

Lär dig hur gurkmeja bekämpar cancer (Maj 2019).

Anonim

Bild en liten, provisorisk muskel som kan krulla en 20 milligram suspenderad vikt när den utsätts för ljus. Under de rätta förhållandena packar en annan mix tillräckligt med ström för att bänkpressa en dime.

Forskare vid Washington University i St. Louis har skapat en helt ny typ av artificiell molekylär muskel från en polymer som kan ta en del tunga lyft-relativt sett.

"Den yttre utlösaren som initierar aktiveringsprocessen kan vara något så enkelt som solljus", säger Jonathan Barnes, professor i kemi inom konst och vetenskap och en 2017 Packard Fellow. Den nya polymeren, som ändrar färg och kontrakter när den exponeras för synligt ljus, beskrivs i en 24 januari-publicering av en speciell fråga om makromolekylär snabb kommunikation.

Barnes och hans team har arbetat med sitt bevis på konceptet för den nya redox-responsiva polymeren-en som kontraherar när elektroner läggs till (reduktion) och expanderar när de tas bort (oxidation) -som han började vid Washington University mindre än två för flera år sedan.

Under hösten visade de att de framgångsrikt kunde bygga sin funktionella polymer och införliva den i en pliant, bulkmaterial kallad hydrogel. Det resulterande materialet kunde kontraheras till en tiondel av sin ursprungliga volym och expanderade sedan tillbaka till sin ursprungliga storlek, dess långa polymerkedjor föll fälligt och utfälldes i tre dimensioner.

Hydrogelen innehåller 5 procent polymer totalt, varav endast 5 procent är den nya, funktionella polymeren; resten är bara vatten. Det betyder att endast 0, 25 procent av den totala hydrogelen är den funktionella polymeren, ett otroligt lågt antal i fältet.

"Om man tittar på andra material är den aktiva polymeren vanligen i varje länk", säger Angelique Greene, en postdoktor i Barnes-laboratoriet. "Våra är mycket utspädda, men våra hydrogeler utförs fortfarande i jämförbar och ibland ännu bättre takt."

Dra sin egen vikt

Men molekylmuskeln behöver fortfarande utlösas av kemisk reduktion i en våt lösning. För att ta itu med slosh-faktorn införde forskarna sedan synliga ljusabsorberande fotoredoxkatalysatorer, inbäddade i gelén och förflyttade sina muskler på torr mark.

Det var dags för ett styrka test.

"Vi ville visa att det inte bara kunde ändra form, eller böja, eller vända en annan färg, men faktiskt göra arbete, " sade Barnes.

Forskarna anbringade sin mest framträdande gel på en bit svart elektrisk tejp och fästade sedan en liten, lätt bit aluminiumtråd med en liten 20 milligram vikt på botten. De exponerade det för ett blått ljus, och efter fem timmar hade polymeren flyttat den suspenderade vikten flera centimeter från utgångsläget.

"Här har vi mycket fin kontroll", säger Kevin Liles, Ph.D. kandidat i kemi som skrev med den nya studien tillsammans med Greene. "Vi kan bestråla polymeren under en viss tid, stoppa den vid ett visst antal grader (av böja), eller bestråla en viss del och få den att komma i kontrakt i vissa områden."

Fem timmar kan tyckas som en lång tid att flytta några centimeter, men Barnes är inte orolig att Mother Nature gör det snabbare.

"Om du någonsin sett en blomma eller växt på sidan av ett berg, böjer det alltid mot var ljuset är", sa Barnes. "Naturen hittar ett sätt att anpassa sig till att optimera mängden ljuskälla som träffar kronblad. Detta material gör i princip exakt samma sak."

Forskarna tittar nu på hur man kopplar sin nya funktionella polymer med andra som är hårdare och kan lyfta tungare belastningar. De vill också räkna ut hur man kontrollerar de artificiella molekylära musklerna med hjälp av elektroder. Denna åtgärd skulle likna det sätt som elektriska signaler överförs i kroppen och kan bana väg mot framtida protesansökningar.

menu
menu