09.04.2020 - University of Pittsburgh

Let's do the twist

"Programmierte" flüssigkristalline Elastomere führen komplexe Verdrehungsvorgänge mit Hilfe von Licht aus

Die Dreh- und Beugungsfähigkeiten des menschlichen Muskelsystems ermöglichen einen vielfältigen und dynamischen Bewegungsumfang, vom Gehen und Laufen bis hin zum Greifen und Fassen. Etwas so scheinbar Einfaches wie das Schwenken einer Hand in einem Roboter zu reproduzieren, erfordert jedoch eine komplexe Reihe von Motoren, Pumpen, Aktoren und Algorithmen. Forscher der Universität von Pittsburgh und der Harvard University haben kürzlich ein Polymer, ein so genanntes Flüssigkristall-Elastomer (liquid crystal elastomer, LCE), entwickelt, das so "programmiert" werden kann, dass es sich in Gegenwart von Licht sowohl drehen als auch biegen lässt.

Die in der Zeitschrift Science Advances veröffentlichte Forschung wurde an der Pitt's Swanson School of Engineering von Anna C. Balazs, Distinguished Professor of Chemical and Petroleum Engineering und John A. Swanson Chair of Engineering, und James T. Waters, Postdoktorand und Erstautor der Arbeit, entwickelt. Weitere Forscher des Wyss Institute for Biological Inspired Engineering der Harvard University und der John A. Paulson School of Engineering sind Joanna Aizenberg, Michael Aizenberg, Michael Lerch, Shucong Li und Yuxing Yao.

Diese besonderen LCEs sind achiral: die Struktur und ihr Spiegelbild sind identisch. Dies gilt nicht für ein chirales Objekt, wie z.B. eine menschliche Hand, das nicht mit einem Spiegelbild seiner selbst überlagert werden kann. Mit anderen Worten, die rechte Hand kann nicht spontan in eine linke Hand umgewandelt werden. Wenn die achirale LCE jedoch dem Licht ausgesetzt wird, kann sie sich kontrolliert und reversibel nach rechts oder links verdrehen, so dass sowohl Rechts- als auch Linkshänderstrukturen entstehen.

"Die Chiralität von Molekülen und Materialsystemen bestimmt oft ihre Eigenschaften", erklärte Dr. Balazs. "Die Fähigkeit, die Chiralität dynamisch und reversibel zu verändern oder eine achirale Struktur in eine chirale zu treiben, könnte einen einzigartigen Ansatz für die Änderung der Eigenschaften eines bestimmten Systems im Flug bieten. Bis heute bleibt es jedoch eine gewaltige Herausforderung, diesen Grad an struktureller Wandlungsfähigkeit zu erreichen. Daher sind diese Ergebnisse aufregend, weil diese LCEs von Natur aus achiral sind, aber in Gegenwart von ultraviolettem Licht chiral werden können und nach Entfernen des Lichts wieder achiral werden.

Die Forscher deckten dieses charakteristische dynamische Verhalten durch ihre Computermodellierung eines mikroskopischen LCE-Pfostens auf, der an einer Oberfläche in der Luft verankert ist. Die Moleküle (die Mesogene), die vom LCE-Rückgrat ausgehen, werden alle in einem Winkel von 45 Grad (in Bezug auf die Oberfläche) durch ein Magnetfeld ausgerichtet; zusätzlich werden die LCE mit einem lichtempfindlichen Material vernetzt. "Wenn wir simulieren würden, dass ein Licht in eine Richtung scheint, würden die LCE-Moleküle unorganisiert werden und der gesamte LCE-Pfosten würde sich nach links drehen; er würde in die entgegengesetzte Richtung scheinen und sich nach rechts drehen", beschrieb Dr. Waters. Diese Modellierungsergebnisse wurden durch die experimentellen Ergebnisse der Harvard-Gruppe bestätigt.

Die Forscher gingen noch einen Schritt weiter und verwendeten ihr validiertes Computermodell, um "chimärische" LCE-Pfosten zu entwerfen, bei denen die Moleküle in der oberen Hälfte des Pfostens in einer Richtung und in der unteren Hälfte in einer anderen Richtung ausgerichtet sind. Durch die Anwendung von Licht können sich diese Chimärenstrukturen gleichzeitig biegen und verdrehen und so die komplexe Bewegung nachahmen, die durch das menschliche Muskelsystem ermöglicht wird.

"Das ist ähnlich wie die Steuerung einer Marionette durch einen Puppenspieler, aber in diesem Fall dient das Licht als Saite, und wir können durch die Kopplung von chemischer, optischer und mechanischer Energie dynamische und reversible Bewegungen erzeugen", so Dr. Balazs. "Die Fähigkeit zu verstehen, wie man künstliche Systeme mit dieser komplexen Integration entwirft, ist von grundlegender Bedeutung, um adaptive Materialien zu schaffen, die auf Veränderungen in der Umwelt reagieren können. Insbesondere im Bereich der Soft-Robotik ist dies für den Bau von Geräten, die ein kontrollierbares, dynamisches Verhalten aufweisen, ohne dass komplexe elektronische Komponenten benötigt werden, unerlässlich.

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