Las almohadillas de los pies notoriamente pegajosos de los geckos están cubiertas de setas: estructuras microscópicas parecidas al pelo cuya composición química y física y alta flexibilidad permiten al lagarto agarrar paredes y techos con facilidad. Los científicos han intentado replicar esas microestructuras dinámicas en el laboratoriocon una variedad de materiales, incluidos los elastómeros de cristal líquido LCE, que son redes de goma con grupos cristalinos líquidos unidos que dictan las direcciones en las que los LCE pueden moverse y estirarse. Hasta ahora, los LCE sintéticos han sido capaces de deformarse en solo unoo dos dimensiones, lo que limita la capacidad de las estructuras para moverse por el espacio y tomar diferentes formas.
Ahora, un grupo de científicos del Instituto Wyss de Ingeniería Biológica de Harvard y la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson SEAS ha aprovechado los campos magnéticos para controlar la estructura molecular de los LCE y crear formas microscópicas de polímeros tridimensionales quepuede programarse para moverse en cualquier dirección en respuesta a múltiples tipos de estímulos. El trabajo, reportado en PNAS , podría conducir a la creación de una serie de dispositivos útiles, incluidos los paneles solares que giran para seguir al sol para mejorar la captura de energía.
"Lo importante de este proyecto es que somos capaces de controlar la estructura molecular alineando cristales líquidos en una dirección arbitraria en el espacio 3D, lo que nos permite programar casi cualquier forma en la geometría del material en sí", dijo el primer autor YuxingYao, que es un estudiante graduado en el laboratorio de la miembro de la Facultad Fundadora Wyss, Joanna Aizenberg, Ph.D.
Las microestructuras creadas por el equipo de Yao y Aizenberg están hechas de LCE moldeados en formas arbitrarias que pueden deformarse en respuesta al calor, la luz y la humedad, y cuya reconfiguración específica está controlada por sus propias propiedades químicas y materiales.exponiendo los precursores de LCE a un campo magnético mientras se sintetizaban, todos los elementos cristalinos líquidos dentro de los LCE se alinearon a lo largo del campo magnético y retuvieron esta alineación molecular después de que el polímero solidificó. Al variar la dirección del campo magnético durante este proceso,los científicos podrían determinar cómo se deformarían las formas LCE resultantes cuando se calientan a una temperatura que interrumpe la orientación de sus estructuras cristalinas líquidas. Cuando vuelven a la temperatura ambiente, las estructuras deformadas retoman su forma inicial orientada internamente.
Tales cambios de forma programados podrían usarse para crear mensajes cifrados que solo se revelan cuando se calientan a una temperatura específica, actuadores para pequeños robots blandos o materiales adhesivos cuya adherencia se puede encender y apagar. El sistema también puede hacer que las formas se activen de forma autónomadoblar en direcciones que generalmente requerirían la entrada de algo de energía para lograrlo. Por ejemplo, se demostró que una placa LCE no solo se dobla "fuera de plano" tradicionalmente, sino que también se dobla o tuerce, alarga y contrae en el plano.Además, se podrían lograr movimientos únicos exponiendo diferentes regiones de una estructura LCE a múltiples campos magnéticos durante la polimerización, que luego se deformaba en diferentes direcciones cuando se calentaba.
El equipo también pudo programar sus formas LCE para reconfigurarse en respuesta a la luz incorporando moléculas de reticulación sensibles a la luz en la estructura durante la polimerización. Luego, cuando la estructura se iluminó desde una determinada dirección, el lado que mira hacia ella luz se contrajo, haciendo que toda la forma se doble hacia la luz. Este tipo de movimiento autorregulado permite que los LCE se deformen en respuesta a su entorno y se reorienten continuamente para seguir la luz de forma autónoma.
Además, los LCE se pueden crear con propiedades sensibles al calor y a la luz, de modo que una estructura de un solo material ahora es capaz de múltiples formas de movimiento y mecanismos de respuesta.
Una aplicación emocionante de estos LCE de respuesta múltiple es la creación de paneles solares cubiertos con microestructuras que giran para seguir al sol a medida que se mueve por el cielo como un girasol, lo que resulta en una captura de luz más eficiente. La tecnología también podría formar la base deradios autónomas de seguimiento de fuentes, encriptación multinivel, sensores y edificios inteligentes.
"Nuestro laboratorio actualmente tiene varios proyectos en curso en los que estamos trabajando para controlar la química de estos LCE para permitir comportamientos de deformación únicos, nunca antes vistos, ya que creemos que estas estructuras bioinspiradas dinámicas tienen el potencial de encontrar uso en varios campos", dijo Aizenberg, quien también es la profesora Amy Smith Berylson de Ciencia de Materiales en SEAS.
"Hacer preguntas fundamentales sobre cómo funciona la Naturaleza y si es posible replicar estructuras y procesos biológicos en el laboratorio es el núcleo de los valores del Instituto Wyss, y a menudo puede conducir a innovaciones que no solo coinciden con las habilidades de la Naturaleza, sino que también mejoranpara crear nuevos materiales y dispositivos que de otro modo no existirían ", dijo el Director Fundador del Instituto Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D., quien también es el Profesor Judah Folkman de Biología Vascular en la Facultad de Medicina de Harvard y el Programa de Biología Vascular en BostonChildren's Hospital, así como profesor de bioingeniería en SEAS.
Los autores adicionales del artículo incluyen James Waters, Ph.D. y Anna Balazs, Ph.D. de la Universidad de Pittsburgh; Anna Schneidman, Ph.D., Jiaxi Cui, Ph.D., Xioguang Wang, Ph.D. y Nikolaj Mandzberg de Harvard SEAS y Shucong Li del departamento de Química de Harvard.
Esta investigación fue apoyada por el Departamento de Energía y DARPA.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada en Harvard . Original escrito por Lindsay Brownell. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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