Мягкие живые материалы из водорослей светятся под нагрузкой

Группа исследователей под руководством Калифорнийского университета в Сан-Диего разработала мягкие, но прочные материалы, которые светятся в ответ на механические нагрузки, такие как сжатие, растяжение или скручивание. Источником люминесценции материалов являются одноклеточные водоросли, известные как динофлагелляты.

Работа, вдохновленная биолюминесцентными волнами, наблюдаемыми во время «красных приливов» на пляжах Сан-Диего, опубликована 20 октября в журнале Science Advances.

Захватывающей особенностью этих материалов является их внутренняя простота — они не нуждаются ни в электронике, ни во внешнем источнике питания, — сказал старший автор исследования Шэнцян Цай (Shengqiang Cai), профессор механической и аэрокосмической инженерии в Школе инженерии Джейкобса при Калифорнийском университете в Сан-Диего.

Мы демонстрируем, как можно использовать возможности природы для прямого преобразования механических стимулов в световое излучение.

В этом исследовании принимали участие инженеры и материаловеды из лаборатории Кая, морской биолог Майкл Латц из Океанографического института Скриппса при Университете Сан-Диего и профессор физики Мазияр Джалаал из Амстердамского университета.

Основными компонентами биолюминесцентных материалов являются динофлагелляты и полимер на основе морских водорослей, называемый альгинатом. Эти элементы смешивались для получения раствора, который затем обрабатывался на 3D-принтере для создания разнообразных форм, таких как сетки, спирали, паутины, шары, блоки и пирамидоподобные структуры. На заключительном этапе 3D-печатные структуры отверждались.

Когда материалы подвергаются сжатию, растяжению или скручиванию, динофлагелляты, находящиеся в них, излучают свет. Такая реакция имитирует то, что происходит в океане, когда динофлагелляты производят световые вспышки в рамках стратегии защиты от хищников. В ходе испытаний материалы светились, когда исследователи нажимали на них и прорисовывали узоры на их поверхности. Материалы были даже достаточно чувствительны, чтобы светиться под весом пенопластового шарика, катящегося по их поверхности.

Чем больше была приложенная нагрузка, тем ярче было свечение. Исследователи смогли количественно оценить это поведение и разработали математическую модель, позволяющую предсказать интенсивность свечения в зависимости от величины приложенного механического напряжения.

Исследователи также продемонстрировали методы, позволяющие придать этим материалам эластичность в различных экспериментальных условиях. Для усиления материалов, чтобы они могли выдерживать значительные механические нагрузки, в исходную смесь был добавлен второй полимер — поли (этиленгликоль) диакрилат. Кроме того, покрытие материалов растягивающимся резиноподобным полимером Ecoflex обеспечило их защиту в кислых и основных растворах. Благодаря такому защитному слою материалы можно хранить в морской воде до пяти месяцев без потери их формы и биолюминесцентных свойств.

Еще одна положительная особенность этих материалов — минимальная потребность в обслуживании. Для поддержания работоспособности динофлагеллятам, входящим в состав материалов, необходимы периодические циклы света и темноты. В светлую фазу они фотосинтезируют, производя пищу и энергию, которые затем используются в темную фазу для излучения света при механическом воздействии. Такое поведение отражает природные процессы, когда динофлагелляты вызывают биолюминесценцию в океане во время «красных приливов».

Данная работа демонстрирует простой метод объединения живых организмов с неживыми компонентами для создания новых материалов, которые являются самоподдерживающимися и чувствительными к фундаментальным механическим стимулам, встречающимся в природе, — сказал первый автор исследования Ченхай Ли, кандидат наук в области машиностроения и аэрокосмической техники в лаборатории Кая.

По мнению исследователей, эти материалы могут быть использованы в качестве механических датчиков для измерения давления, деформации или напряжения. Другие потенциальные области применения включают мягкую робототехнику и биомедицинские устройства, использующие световые сигналы для лечения или контролируемого высвобождения лекарств.

Однако до реализации этих приложений предстоит проделать большую работу. Исследователи работают над дальнейшим совершенствованием и оптимизацией материалов.

20.10.2023


Подписаться в Telegram



Хайтек

Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий

Когда речь заходит о сверхпроводящих куби...

Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов
Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов

Исследователи из Калифорнийского универси...

PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути
PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути

Исследователи из Принстона применили спле...

Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ
Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ

Ученые из Томского политехнического униве...

Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света
Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света

В основе глобальной интернет-связи лежит оптич...

Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения
Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения

Мемристорные устройства представляют собой кат...

Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников
Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников

Замещающее легирование чужеродными элементами ...

Angewandte Chemie: Ученые объяснили, почему металлы превращаются в стекло
Angewandte Chemie: Ученые объяснили, почему металлы превращаются в стекло

Если проникнуть глубоко-глубоко под повер...

Создан катализатор для преобразования нитратного загрязнения в аммиак
Создан катализатор для преобразования нитратного загрязнения в аммиак

Загрязнения, извергаемые бурно развивающейся м...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Транзисторы на основе бальзового дерева усилят позиции зеленой электроники
Транзисторы на основе бальзового дерева усилят позиции зеленой электроники
Наноразмерное покрытие ускоряет работу катализаторов на основе наночастиц золота
Наноразмерное покрытие ускоряет работу катализаторов на основе наночастиц золота
Scientific Reports: ИИ показал больший творческий потенциал, чем человек
Scientific Reports: ИИ показал больший творческий потенциал, чем человек
Ecology: Японские медведи в поисках пищи разоряют лесопосадки
Ecology: Японские медведи в поисках пищи разоряют лесопосадки
NSMBio: Исследование проливает свет на истоки неврологических заболеваний
NSMBio: Исследование проливает свет на истоки неврологических заболеваний
British Journal of Anaesthesia: Ученые выявили ошибку в работе пульсоксиметров
British Journal of Anaesthesia: Ученые выявили ошибку в работе пульсоксиметров
FEARC: Археологи используют фундук для реконструкции древних лесных массивов
FEARC: Археологи используют фундук для реконструкции древних лесных массивов
PRL: Ученые продвинулись в управляемом ускорении электронов в микромасштабе
PRL: Ученые продвинулись в управляемом ускорении электронов в микромасштабе
Лесовосстановления недостаточно для возмещения углерода от заготовки древесины
Лесовосстановления недостаточно для возмещения углерода от заготовки древесины
Blood: Создана новая стратегия поиска и уничтожения стволовых клеток лейкемии
Blood: Создана новая стратегия поиска и уничтожения стволовых клеток лейкемии
PNAS Nexus: Хоть горшком назовите, только учитывайте культурные различия
PNAS Nexus: Хоть горшком назовите, только учитывайте культурные различия
Nature Comm: Ошибка Пифагора вынуждает пересмотреть принципы создания музыки
Nature Comm: Ошибка Пифагора вынуждает пересмотреть принципы создания музыки
Открыт антивозрастной эффект витамина D и рецептора в средней кишке дрозофилы
Открыт антивозрастной эффект витамина D и рецептора в средней кишке дрозофилы
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Journal of the American Heart Association: Сидячий образ жизни приближает смерть
Journal of the American Heart Association: Сидячий образ жизни приближает смерть

Новости компаний, релизы

НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
«Инструменты инновационного развития»
«Инструменты инновационного развития»
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса