Imaginez un petit, muscle de fortune qui peut courber un poids suspendu de 20 milligrammes lorsqu'il est exposé à la lumière. Dans les bonnes conditions, un autre mix a assez de puissance pour faire un développé couché.

Des chercheurs de l'Université Washington à St. Louis ont créé un tout nouveau type de muscle moléculaire artificiel à partir d'un polymère capable de soulever des charges lourdes, relativement parlant.

"Le déclencheur externe qui initie le processus d'actionnement peut être quelque chose d'aussi simple que la lumière du soleil, " a déclaré Jonathan Barnes, professeur assistant de chimie en arts et sciences et boursier Packard 2017. Le nouveau polymère, qui change de couleur et se contracte lorsqu'il est exposé à la lumière visible, est décrit dans une publication du 24 janvier d'un numéro spécial de Macromolecular Rapid Communications.

Barnes et son équipe ont travaillé sur leur preuve de concept pour le nouveau polymère réactif redox - un polymère qui se contracte lorsque des électrons sont ajoutés (réduction) et se dilate lorsqu'ils sont retirés (oxydation) - depuis qu'il a commencé à l'Université de Washington moins de deux il y a des années.

L'automne dernier, ils ont démontré qu'ils pouvaient construire avec succès leur polymère fonctionnel et l'incorporer dans un pliant, matériau en vrac appelé hydrogel. Le matériau résultant pourrait être contracté à un dixième de son volume d'origine, puis étendu à sa taille d'origine, ses longues chaînes en polymère se plient et se déplient délicatement en trois dimensions.

L'hydrogel contient 5 pour cent de polymère dans l'ensemble, dont seulement 5 pour cent est le nouveau, polymère fonctionnel; le reste n'est que de l'eau. Cela signifie que seulement 0,25% de l'hydrogel total est le polymère fonctionnel, un nombre incroyablement bas sur le terrain.

"Si vous regardez d'autres matériaux, le polymère actif est généralement dans chaque lien, " dit Angélique Greene, stagiaire postdoctoral au laboratoire Barnes. "Le nôtre est très dilué, et pourtant, nos hydrogels fonctionnaient toujours à un rythme comparable et parfois même meilleur."

Tirer son propre poids

Mais le muscle moléculaire devait encore être déclenché par une réduction chimique dans une solution humide. Pour lutter contre le facteur de slossh, les chercheurs ont ensuite introduit des catalyseurs photoredox absorbant la lumière visible, noyé dans le gel, et déplacé leurs muscles sur un sol sec.

Il était temps pour un test de force.

"Nous voulions démontrer qu'il pouvait non seulement changer de forme, ou plier, ou changer de couleur, mais vraiment travailler, " dit Barnes.

Les chercheurs ont apposé leur gel le plus performant sur un morceau de ruban électrique noir, puis attaché un petit, morceau léger de fil d'aluminium tenant un petit poids de 20 milligrammes sur le fond. Ils l'ont exposé à une lumière bleue, et, après cinq heures, le polymère avait déplacé le poids suspendu de plusieurs centimètres de sa position de départ.

"Ici, nous avons un contrôle très fin, " a déclaré Kevin Liles, un doctorat candidat en chimie qui a co-écrit la nouvelle étude, avec Greene. "On peut irradier le polymère pendant un certain temps, l'arrêter à un certain nombre de degrés (de virage), ou irradier une certaine portion et la faire se contracter dans certaines zones."

Cinq heures peut sembler long pour se déplacer de quelques centimètres, mais Barnes ne craint pas que Mère Nature le fasse plus vite.

"Si vous avez déjà vu une fleur ou une plante sur le flanc d'une montagne, il se penche toujours vers où est la lumière, " a déclaré Barnes. " La nature trouve un moyen de s'adapter pour optimiser la quantité de source de lumière qui frappe ses pétales. Ce matériau fait en principe exactement la même chose."

Les chercheurs cherchent maintenant à associer leur nouveau polymère fonctionnel à d'autres plus résistants et capables de soulever des charges plus lourdes. Ils veulent également comprendre comment contrôler les muscles moléculaires artificiels à l'aide d'électrodes. Cette action serait similaire à la façon dont les signaux électriques sont transmis dans le corps, et pourrait ouvrir la voie à de futures applications prothétiques.