(Phys.org) —En la naturaleza, algunos organismos usan deformaciones para crear un movimiento tridimensional. Un ejemplo es la trampa para moscas Venus, que abre y cierra sus hojas para atrapar presas. Cuando está abierto, las hojas son cóncavas, pero cuando se cierran las hojas son convexas. Los científicos están interesados ​​en imitar deformaciones controladas para aplicaciones en electrónica blanda o actuadores.

Investigadores de la Universidad de Zhejiang en China, Universidad del Estado de Iowa, y la Universidad de Hokkadio en Japón han utilizado hidrogeles modelados periódicamente para imitar el tipo de deformaciones cooperativas que se observan en la naturaleza. Estos hidrogeles se deforman espontáneamente en configuraciones tridimensionales cóncavas y convexas que son guiadas por efectos cooperativos del vecino más cercano. Su trabajo aparece en Avances de la ciencia .

Los hidrogeles son polímeros flexibles que absorben agua, algunos de los cuales presentan mucha hinchazón, mientras que otros presentan poca o ninguna hinchazón. Para este estudio, Wang, et al. utilizó fotolitografía para realizar un proceso de fotopolimerización de dos pasos para crear una matriz bidimensional de hidrogeles alternados. Comenzaron colocando PAAm, un gel que no se hincha, en un patrón determinado en el que parte del gel se expone a la luz ultravioleta. Luego, un gel de alta hinchazón, P (AAm-co-AMPS), se superpuso sobre el gel no hinchable con un nuevo patrón, que luego se expuso a la luz ultravioleta. Esto creó un patrón alterno de dos geles que al hincharse, resultó en deformaciones cóncavas y convexas alternas en los discos de gel de alta hinchazón.

La deformación se produce porque las regiones de alto hinchamiento están limitadas por las regiones que no se hinchan, lo que hace que las regiones de alto hinchamiento se doblen. Para minimizar la energía elástica global, las regiones de alto hinchamiento alternan entre deformaciones cóncavas y convexas. El patrón alterno entre los discos de gran hinchazón demostró un efecto cooperativo en el sentido de que los discos vecinos de gran hinchazón parecían "saber" si sus vecinos eran cóncavos o convexos.

Para comprender los efectos cooperativos de los discos de hidrogel, Wang y col. variada distancia entre discos, así como el radio de disco de sus geles. Descubrieron que para ver efectos cooperativos, hay una cierta distancia especial, llamada distancia cooperativa, en el que los dominios del disco de hidrogel se vuelven cooperativos. En longitudes mayores que esta distancia, no observaron efectos cooperativos.

La naturaleza de estas deformaciones, incluyendo la distancia cooperativa, se puede controlar modificando varios factores. Para uno, el radio de los discos individuales de alto hinchamiento afecta la distancia cooperativa. Es más, Las diferencias entre las capacidades de hinchamiento de los hidrogeles pueden cambiar el patrón geométrico. Si los hidrogeles no presentan un gran desajuste de hinchazón, luego formarán un patrón rómbico con el disco de gran hinchazón en el medio rodeado por cuatro discos que no se hinchan. Si los geles tienen un gran desajuste de hinchazón, luego, los discos que no se hinchan forman una geometría triangular alrededor de los discos de gran hinchamiento.

Estas geometrías se pueden controlar cambiando el carácter iónico de la solución de disolvente. Por ejemplo, un gel estampado de forma hexagonal con un radio de disco de 5 mm y una distancia entre los discos de 15 mm, demostró deformación en forma de triángulo cuando se hincha con agua pura. Sin embargo, cuando se utilizó NaCl 0,15 M, la hoja de hidrogel se aplanó. Demostró una forma rómbica cuando se utilizó NaCl 0,02 M.

Adicionalmente, Wang y col. demostró que se pueden manipular las regiones locales del hidrogel haciendo una preinflamación selectiva. Esto se hace enmascarando algunos de los discos para que no entren en contacto con agua o solución salina. lo que da como resultado que las áreas no enmascaradas se hinchen mientras que las enmascaradas no.

Usando máscaras de diferentes formas, los autores demostraron que cambiar la forma de los discos de hidrogel individuales a cuadrados o elipses cambiaba la forma de pandeo localizada. Sin embargo, los geles aún mantuvieron sus efectos cooperativos. Sus estudios mostraron que al adaptar los patrones de hidrogel, se pueden obtener complejas deformaciones cooperativas.

Finalmente, los autores consideraron la periodicidad de sus hidrogeles modelados. La periodicidad de la dispersión se puede cambiar colocando diferentes geles usando diferentes máscaras. En este papel, PAAc y P (PAAm-co-VI), los discos se colocaron en gel P (AAm-co-AMPS). Estos geles respondieron de manera diferente a diferentes pH. Dos de los geles se hincharon a pH 2, formando el patrón cóncavo-convexo. A un pH de 10, uno de los discos hinchados no se hinchó, mientras que los otros dos lo hicieron. Este patrón de deformación cooperativa desencadenado por estímulos fue relativamente reversible y se puede adaptar aún más utilizando diferentes hidrogeles.

Este trabajo demuestra la idea de la deformación cooperativa utilizando hidrogeles modelados periódicamente, proporcionar una prueba de concepto que debería ser generalmente aplicable a otros materiales.

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