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