Les progrès du biomimétisme - créant des réponses biologiques au sein de substances non biologiques - permettront aux matériaux synthétiques de se comporter d'une manière que l'on ne trouve généralement que dans la nature. La lumière fournit un outil particulièrement efficace pour déclencher des réponses dynamiques dans une gamme de matériaux. Le problème, cependant, est que la lumière appliquée est généralement dispersée dans tout l'échantillon et donc, il est difficile de localiser le comportement bio-inspiré au désiré, parties spécifiques du matériau.

Une convergence d'optique, sciences chimiques et des matériaux, cependant, a donné une nouvelle façon d'utiliser la lumière pour contrôler le comportement dynamique local au sein d'un matériau. Dans un sens général, le matériau illuminé imite un comportement biologique vital :la capacité de l'iris et de la pupille de l'œil à répondre de manière dynamique à la lumière entrante. Par ailleurs, une fois que la lumière pénètre dans l'échantillon, le matériau lui-même modifie le comportement de la lumière, le piéger dans les régions de l'échantillon.

Les dernières recherches de la Swanson School of Engineering de l'Université de Pittsburgh, Université Harvard et Université McMaster, révèle un hydrogel qui peut répondre aux stimuli optiques et modifier les stimuli en réponse. Les conclusions du groupe sur cette transduction opto-chimio-mécanique ont été publiées ce mois-ci dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

Les auteurs de Pitt incluent Anna C. Balazs, professeur émérite de génie chimique et pétrolier et chaire d'ingénierie John A. Swanson ; et Victor V. Yashin, Professeur assistant de recherche invité. Les autres membres incluent Joanna Aizenberg, Amos Meeks (co-premier auteur) et Anna V. Shneidman, Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering et Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences ; Ankita Shastri, Département de chimie et de biologie chimique de Harvard; et Fariha Mahmood, Derek Morim (co-premier auteur), Kalaichelvi Saravanamuttu et Andy Tran, Université McMaster, Ontario, Canada.

« Jusqu'à il y a à peine une dizaine d'années, l'état préféré des matériaux était statique. Si vous avez construit quelque chose, la préférence était qu'un matériau soit prévisible et immuable, " expliqua le Dr Balazs. " Cependant, à mesure que la technologie évolue, nous réfléchissons aux matériaux de nouvelles manières et à la manière dont nous pouvons exploiter leurs propriétés dynamiques pour les rendre réactifs aux stimuli externes.

"Par exemple, plutôt que de programmer un ordinateur pour qu'un appareil exécute une fonction, comment combiner la chimie, l'optique et les matériaux pour imiter les processus biologiques sans avoir besoin de processeurs câblés et d'algorithmes complexes ?"

Les résultats poursuivent les recherches du Dr Balazs avec des hydrogels fonctionnalisés au spiropyrane (SP) et les chromophores photosensibles du matériau. Bien que le gel SP ressemble à de la gélatine, il se distingue par sa capacité à contenir des faisceaux de lumière et à ne pas les disperser, similaire à la façon dont les fibres optiques contrôlent passivement la lumière pour la communication. Cependant, contrairement à un simple polymère, l'hydrogel rempli d'eau réagit à la lumière et peut « piéger » les photons dans sa structure moléculaire.

"Le chromophore dans l'hydrogel joue un rôle important, " explique-t-elle. " En l'absence de lumière, le gel est gonflé et détendu. Mais lorsqu'il est exposé à la lumière d'un faisceau laser de la largeur d'un cheveu humain, ça change sa structure, rétrécit et devient hydrophobe. Cela augmente la densité du polymère et modifie l'indice de réfraction de l'hydrogel et piège la lumière dans des régions plus denses que d'autres. Lorsque le laser est retiré de la source, le gel revient à son état normal. La capacité de la lumière à affecter le gel et le gel à son tour à affecter la lumière qui se propage crée une belle boucle de rétroaction qui est unique dans les matériaux synthétiques."

Le plus surprenant, le groupe a constaté que l'introduction d'un deuxième, faisceau de lumière parallèle crée un type de communication au sein de l'hydrogel. L'un des faisceaux auto-piégés contrôle non seulement un deuxième faisceau, mais aussi le contrôle peut se faire avec une distance importante entre les deux, grâce à la réponse du milieu hydrogel. Le Dr Yashin note que ce type de contrôle est désormais possible en raison de l'évolution des matériaux, pas à cause des progrès de la technologie laser.

"La première observation d'auto-piégeage de la lumière a eu lieu en 1964, mais avec de très gros, lasers puissants dans des conditions contrôlées, " a-t-il déclaré. " Nous pouvons maintenant obtenir plus facilement ces comportements dans des environnements ambiants avec beaucoup moins d'énergie, et ainsi étendre considérablement l'utilisation potentielle de l'optique non linéaire dans les applications."

Le groupe pense que les réponses opto-chimio-mécaniques présentent un potentiel bac à sable pour l'exploration de la robotique douce, calcul optique et optique adaptative.

"Il existe peu de matériaux conçus avec une boucle de rétroaction intégrée, " a déclaré le Dr Balazs. " La simplicité des réponses fournit un moyen passionnant d'imiter des processus biologiques tels que le mouvement et la communication, et ouvrir de nouvelles voies vers la création d'appareils qui ne dépendent pas du contrôle humain."

Cette recherche a été financée en partie par le US Army Research Office sous le prix W911NF-17-1-0351 et par le Natural Sciences and Engineering Research Council, Fondation canadienne pour l'innovation.