Locomoção de hidrogel regulada por campos luminosos e elétricos

Recurso de 22 de agosto de 2023

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por Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Os cientistas de materiais pretendem desenvolver materiais autônomos que funcionem além da atuação responsiva a estímulos. Num novo relatório publicado na Science Advances, Yang Yang e uma equipa de investigação do Centro de Ciências Energéticas Bioinspiradas da Universidade Northwestern, nos EUA, desenvolveram hidrogéis foto e eletroativados para capturar e entregar cargas e evitar obstáculos no regresso.

Para conseguir isso, eles usaram dois monômeros de espiropirano (materiais fotossensíveis) no hidrogel para reversão de carga fotorregulada e comportamentos autônomos sob um campo elétrico constante. Os materiais foto/eletroativos poderiam realizar tarefas de forma autônoma com base em estímulos externos constantes para desenvolver materiais inteligentes em escala molecular.

Materiais macios com funcionalidade semelhante à vida têm aplicações promissoras como materiais robóticos inteligentes em ambientes dinâmicos complexos, com importância em interfaces homem-máquina e dispositivos biomédicos. Yang e colegas projetaram um hidrogel foto e eletroativado para capturar e entregar cargas, evitar obstáculos e retornar ao ponto de partida, com base em estímulos constantes de luz visível e eletricidade aplicada. Estas condições constantes forneceram energia para guiar o hidrogel.

A equipe de pesquisa integrou covalentemente porções de espiropirano com vários substituintes nas construções para regular a carga líquida dos materiais macios. Eles usaram simulações de elementos finitos para orientar o projeto e o movimento dos hidrogéis carregados e projetar perfis de superfície 3D para maximizar o efeito dieletroforético. Yang e a equipe estudaram ainda mais o escopo da locomoção eletroativa e da fotoatuação nos hidrogéis de espiropirano.

Yang e colegas usaram duas moléculas diferentes de espiropirano com cargas líquidas diferentes. Eles sintetizaram cada uma das moléculas com um grupo metacrilato polimerizável com base em relatórios existentes.

Eles incorporaram diferentes proporções de moléculas de espiropirano em cadeias poliméricas de N-isopropilacrilamida (PNIPAM) para formar hidrogéis. Neste caso, eles ajustaram as funcionalidades de reversão de carga usando copolímeros das unidades estruturais do espiropirano para mostrar potencial fotossensível e carregar comportamentos reversíveis com carga sintonizável. Os cientistas ajustaram o tempo de reversão de carga alterando a proporção das duas porções de espiropirano, sem alterar as taxas de comutação e recuperação.

Com base no comportamento de reversão de carga dos polímeros, a equipe de Yang fotorregulou os hidrogéis eletroativos usando um reticulador para prepará-los.

Inicialmente, a equipe poderia carregar positivamente o hidrogel para se mover em direção ao cátodo sob um campo elétrico de corrente contínua, onde a carga positiva foi transferida das porções de espiropirano para a rede de hidrogel. Posteriormente, os grupos sulfonato permanentemente ligados na cadeia polimérica tornaram a carga líquida da construção negativa, permitindo que o hidrogel carregado negativamente navegasse de volta ao ânodo.

A equipe estudou as velocidades de locomoção eletroativas fotorreguladas dos discos de hidrogel em vários ciclos claro-escuro para examinar sua velocidade de locomoção e determinou a relação entre a carga e a velocidade dos discos de hidrogel. Eles basearam isso no equilíbrio entre a força eletrostática e a força de arrasto hidrodinâmica, onde a maior tensão aplicada e o maior diâmetro dos discos de hidrogel proporcionavam maior velocidade de locomoção. Tais dispositivos poliméricos são adequados para capturar e entregar cargas por meio de caça autônoma.