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    Brillar una nueva luz sobre los materiales biomiméticos

    Hidrogeles modificados con SP. (A) Esquema de fotoisomerización de sustituyentes cromóforos de la merocianina protonada (MCH +, Izquierda) a formas SP (derecha) en el hidrogel p (AAm-co-AAc) reticulado de metilenbis (acrilamida). (B) Fotografías de monolitos de hidrogel de p (AAm-co-AAc) que contienen cromóforos empleados en experimentos. (C) Espectros de absorbancia UV-visible que demuestran la isomerización reversible de MCH + (absorción λmax =420 nm) a SP (λmax =320 nm) en solución. (D) Configuración experimental (arriba) para sondear el auto-atrapamiento del láser debido a la contracción local fotoinducida del hidrogel, representado esquemáticamente en la parte inferior. Un rayo láser se enfoca en la cara de entrada del hidrogel mientras que su cara de salida se proyecta en una cámara CCD. Crédito:Aizenberg / Saravanamuttu Lab. procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias Febrero de 2020, 201902872; DOI:10.1073 / pnas.1902872117

    Los avances en biomimetismo, que crean respuestas biológicas dentro de sustancias no biológicas, permitirán que los materiales sintéticos se comporten de formas que normalmente solo se encuentran en la naturaleza. La luz proporciona una herramienta especialmente eficaz para desencadenar respuestas dinámicas dentro de una variedad de materiales. El problema, sin embargo, es que la luz aplicada se dispersa típicamente por toda la muestra y, por lo tanto, es difícil localizar el comportamiento bioinspirado en el deseado, porciones específicas del material.

    Una convergencia de ópticas, ciencias químicas y de los materiales, sin embargo, ha proporcionado una forma novedosa 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 del iris y la pupila del ojo para responder dinámicamente a la luz entrante. Es más, una vez que la luz entra en la muestra, el propio material modifica el comportamiento de la luz, atrapándolo dentro de las regiones de la muestra.

    La última investigación de la Escuela de Ingeniería Swanson de la Universidad de Pittsburgh, Universidad de Harvard y Universidad McMaster, revela un hidrogel que puede responder a estímulos ópticos y modificar los estímulos en respuesta. Los hallazgos del grupo de esta transducción opto-quimio-mecánica se publicaron este mes en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

    Los autores de Pitt incluyen a Anna C. Balazs, Profesor Distinguido de Ingeniería Química y del Petróleo y Cátedra de Ingeniería John A. Swanson; y Victor V. Yashin, Profesor asistente de investigación invitado. Otros miembros incluyen a Joanna Aizenberg, Amos Meeks (co-primer autor) y Anna V. Shneidman, El Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica y la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard; Ankita Shastri, Departamento de Química y Biología Química de Harvard; y Fariha Mahmood, Derek Morim (co-primer autor), Kalaichelvi Saravanamuttu y Andy Tran, Universidad McMaster, Ontario, Canadá.

    "Hasta hace solo una década, el estado preferido para los materiales era estático. Si construiste algo la preferencia era que un material fuera predecible e inmutable, "Explicó el Dr. Balazs." Sin embargo, a medida que evoluciona la tecnología, estamos pensando en los materiales de nuevas formas y en cómo podemos explotar sus propiedades dinámicas para hacerlos sensibles a los estímulos externos.

    "Por ejemplo, en lugar de programar una computadora para que un dispositivo realice una función, ¿Cómo podemos combinar la química? óptica y 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 parece a la gelatina, se distingue por su capacidad para contener haces de luz y no dispersarlos, similar a la forma 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.

    Representación esquemática del auto-atrapamiento óptico dentro de hidrogeles funcionalizados con SP con dos haces remotos; cada haz se enciende y apaga para controlar la interacción. Crédito:Aizenberg / Saravanamuttu Lab. procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias Febrero de 2020, 201902872; DOI:10.1073 / pnas.1902872117

    "El cromóforo del 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, cambia su estructura, se encoge y se vuelve hidrofóbico. 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 el láser se retira 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 los materiales sintéticos ".

    Lo más sorprendente es el grupo descubrió que la introducción de un segundo, El haz de luz paralelo crea un tipo de comunicación dentro del hidrogel. Uno de los rayos auto-atrapados no solo controla un segundo rayo, pero también el control puede suceder con una distancia significativa entre los dos, gracias a la respuesta del medio hidrogel. El Dr. Yashin señala que este tipo de control ahora es posible debido a la evolución de los materiales, no por los avances en la tecnología láser.

    "La primera observación de auto-atrapamiento de la luz ocurrió en 1964, pero con muy grande, potentes láseres en condiciones controladas, ", dijo." Ahora podemos lograr estos comportamientos más fácilmente en entornos ambientales con mucha menos energía, y así ampliar enormemente el uso potencial de la óptica no lineal en las aplicaciones ".

    El grupo cree que las respuestas optoquimio-mecánicas presentan una potencial caja de arena para la exploración de la robótica blanda, Computación óptica y óptica adaptativa.

    "Hay pocos materiales diseñados con un circuito de retroalimentación integrado, "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 nuevos caminos hacia la creación de dispositivos que no dependan del control humano ".

    Esta investigación fue apoyada en parte por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. Con el premio W911NF-17-1-0351 y por el Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería, Fundación Canadiense para la Innovación.


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