Locomozione dell'idrogel regolata da campi luminosi ed elettrici

Funzionalità del 22 agosto 2023

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di Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Gli scienziati dei materiali mirano a sviluppare materiali autonomi che funzionino oltre l'attuazione reattiva allo stimolo. In un nuovo rapporto su Science Advances, Yang Yang e un gruppo di ricerca del Center for Bioinspired Energy Science della Northwestern University, negli Stati Uniti, hanno sviluppato idrogel foto ed elettro-attivati ​​per catturare e consegnare merci ed evitare ostacoli al ritorno.

Per raggiungere questo obiettivo, hanno utilizzato due monomeri di spiropirano (materiali fotocommutabili) nell'idrogel per l'inversione di carica fotoregolata e comportamenti autonomi sotto un campo elettrico costante. I materiali foto/elettroattivi potrebbero svolgere autonomamente compiti basati su costanti stimoli esterni per sviluppare materiali intelligenti su scala molecolare.

I materiali morbidi con funzionalità realistiche hanno applicazioni promettenti come materiali robotici intelligenti in ambienti dinamici complessi con significato nelle interfacce uomo-macchina e nei dispositivi biomedici. Yang e colleghi hanno progettato un idrogel foto ed elettroattivato per catturare e consegnare merci, evitare ostacoli e tornare al punto di partenza, sulla base di stimoli costanti di luce visibile ed elettricità applicata. Queste condizioni costanti fornivano energia per guidare l'idrogel.

Il gruppo di ricerca ha integrato in modo covalente porzioni di spiropirano con vari sostituenti nei costrutti per regolare la carica netta dei materiali morbidi. Hanno utilizzato simulazioni di elementi finiti per guidare la progettazione e il movimento degli idrogel carichi e progettare profili di superficie 3D per massimizzare l'effetto dielettroforetico. Yang e il team hanno studiato ulteriormente la portata della locomozione elettroattiva e della fotoattuazione negli idrogel di spiropirano.

Yang e colleghi hanno utilizzato due diverse molecole di spiropirano con cariche nette diverse. Hanno sintetizzato ciascuna delle molecole con un gruppo di metacrilato polimerizzabile sulla base dei rapporti esistenti.

Hanno incorporato diversi rapporti delle molecole di spiropirano nelle catene polimeriche di N-isopropilacrilammide (PNIPAM) per formare idrogel. In questo caso, hanno messo a punto le funzionalità di inversione di carica utilizzando copolimeri delle unità strutturali dello spiropirano per mostrare potenziale fotocommutabile e comportamenti reversibili di carica con carica regolabile. Gli scienziati hanno regolato il tempo di inversione della carica modificando il rapporto tra le due porzioni di spiropirano, senza modificare i tassi di commutazione e recupero.

Basandosi sul comportamento di inversione di carica dei polimeri, il team di Yang ha fotoregolato gli idrogel elettroattivi utilizzando un reticolante per prepararli.

Inizialmente, il team ha potuto caricare positivamente l’idrogel per spostarsi verso il catodo sotto un campo elettrico a corrente continua, dove la carica positiva si è trasferita dalle porzioni di spiropirano alla rete dell’idrogel. Successivamente, i gruppi solfonato legati in modo permanente sulla catena polimerica hanno reso negativa la carica netta del costrutto, consentendo all’idrogel caricato negativamente di tornare all’anodo.

Il team ha studiato le velocità di locomozione elettroattiva fotoregolata dei dischi di idrogel attraverso più cicli luce-buio per esaminare la loro velocità di locomozione e determinare la relazione tra la carica e la velocità dei dischi di idrogel. Hanno basato questo sull’equilibrio tra la forza elettrostatica e la forza di resistenza idrodinamica, dove la tensione applicata più elevata e il diametro maggiore dei dischi di idrogel garantiscono una maggiore velocità di locomozione. Tali dispositivi polimerici sono adatti per catturare e consegnare carichi attraverso la caccia autonoma.