Une équipe de chercheurs dirigée par l’Université de Californie à San Diego a développé des matériaux souples mais durables qui brillent en réponse à des contraintes mécaniques, telles que la compression, l’étirement ou la torsion. Les matériaux tirent leur luminescence d’algues unicellulaires appelées dinoflagellés.
Les travaux, inspirés des ondes bioluminescentes observées lors des marées rouges sur les plages de San Diego, ont été publiés le 20 octobre dans Science Innovations.
« Une caractéristique intéressante de ces matériaux est leur simplicité inhérente : ils ne nécessitent ni électronique, ni resource d’alimentation externe », a déclaré l’auteur principal de l’étude, Shengqiang Cai, professeur de génie mécanique et aérospatial à la Jacobs Faculty of Engineering de l’UC San Diego. « Nous démontrons comment nous pouvons exploiter le pouvoir de la character pour convertir directement les stimuli mécaniques en émission de lumière. »
Cette étude était une collaboration multidisciplinaire impliquant des ingénieurs et des scientifiques des matériaux du laboratoire de Cai, le biologiste marin Michael Latz de la Scripps Institution of Oceanography de l’UC San Diego et le professeur de physique Maziyar Jalaal de l’Université d’Amsterdam.
Les principaux ingrédients des matériaux bioluminescents sont des dinoflagellés et un polymère à foundation d’algues appelé alginate. Ces éléments ont été mélangés pour previous une solution, qui a ensuite été traitée avec une imprimante 3D pour créer un big éventail de formes, telles que des grilles, des spirales, des toiles d’araignées, des boules, des blocs et des constructions pyramidales. Les buildings imprimées en 3D ont ensuite été durcies comme étape finale.
Lorsque les matériaux sont soumis à une compression, un étirement ou une torsion, les dinoflagellés qu’ils contiennent réagissent en émettant de la lumière. Cette réponse imite ce qui se passe dans l’océan, lorsque les dinoflagellés produisent des éclairs de lumière dans le cadre d’une stratégie de défense contre les prédateurs. Lors des tests, les matériaux brillaient lorsque les chercheurs appuyaient dessus et traçaient des motifs sur leur surface area. Les matériaux étaient même suffisamment sensibles pour briller sous le poids d’une boule de mousse roulant sur leur area.
Moreover la contrainte appliquée est élevée, moreover la lueur est brillante. Les chercheurs ont pu quantifier ce comportement et développé un modèle mathématique capable de prédire l’intensité de la lueur en fonction de l’ampleur de la contrainte mécanique appliquée.
Les chercheurs ont également démontré des methods permettant de rendre ces matériaux résilients dans diverses conditions expérimentales. Pour renforcer les matériaux afin qu’ils puissent supporter des prices mécaniques importantes, un deuxième polymère, le diacrylate de poly(éthylène glycol), a été ajouté au mélange authentic. De additionally, le revêtement des matériaux avec un polymère élastique semblable à du caoutchouc appelé Ecoflex offre une safety dans les alternatives acides et basiques. Grâce à cette couche protectrice, les matériaux pourraient même être stockés dans l’eau de mer jusqu’à cinq mois sans perdre leur forme ni leurs propriétés bioluminescentes.
Une autre caractéristique avantageuse de ces matériaux est leur faible entretien. Pour continuer à fonctionner, les dinoflagellés présents dans les matériaux ont besoin de cycles périodiques de lumière et d’obscurité. Pendant la section lumineuse, ils photosynthétisent pour produire de la nourriture et de l’énergie, qui sont ensuite utilisées dans la section sombre pour émettre de la lumière lorsqu’une contrainte mécanique est appliquée. Ce comportement reflète les processus naturels en jeu lorsque les dinoflagellés provoquent une bioluminescence dans l’océan lors des marées rouges.
« Ce travail actuel démontre une méthode straightforward pour combiner des organismes vivants avec des composants non vivants pour fabriquer de nouveaux matériaux autonomes et sensibles aux stimuli mécaniques fondamentaux trouvés dans la nature », a déclaré le leading auteur de l’étude, Chenghai Li, spécialiste en génie mécanique et aérospatial. doctorat candidat dans le laboratoire de Cai.
Les chercheurs envisagent que ces matériaux pourraient potentiellement être utilisés comme capteurs mécaniques pour mesurer la pression, la déformation ou le strain. D’autres applications potentielles incluent la robotique douce et les dispositifs biomédicaux qui utilisent des signaux lumineux pour effectuer un traitement ou une libération contrôlée de médicaments.
Il reste cependant beaucoup de travail à accomplir avant que ces purposes puissent être réalisées. Les chercheurs travaillent à améliorer et à optimiser davantage les matériaux.
Ce travail a été soutenu par le US Military Research Office (subvention W911NF-20-2-0182).
