Forscher des Eelkema Lab haben einen neuen Prozess entdeckt, der Brennstoff verwendet, um nicht lebende Materialien zu kontrollieren, ähnlich wie es lebende Zellen tun. Der Reaktionszyklus lässt sich leicht auf eine Vielzahl von Materialien anwenden und seine Geschwindigkeit kann kontrolliert werden – ein Durchbruch auf dem sich entwickelnden Gebiet solcher Reaktionen. Die Entdeckung ist ein Schritt in Richtung Soft-Robotik; weiche Maschinen, die wahrnehmen können, was in ihrer Umgebung passiert, und entsprechend reagieren. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Chemiker in Naturkommunikation Im vergangenen Monat.
Der Chemiker Rienk Eelkema und seine Gruppe versuchen, die Natur nachzuahmen, insbesondere die chemischen Reaktionen in lebenden Zellen, die den Brennstoff zur Steuerung der Zelle liefern. Die Werkzeugkiste von Reaktionen, die unbelebte Materialien auf die gleiche Weise antreiben, ist begrenzt, erklärt Eelkema. „Bisher gibt es nur etwa fünf Arten von Reaktionen, die von Forschern weit verbreitet sind. Diese Reaktionen haben zwei große Nachteile: Ihre Geschwindigkeit ist schwer zu kontrollieren und sie wirken nur auf eine bestimmte Gruppe von Molekülen.“
Eelkema und Ph.D. Kandidat Benjamin Klemm, Erstautor der Publikation, fand eine neue Art von Reaktion, deren Geschwindigkeit gut kontrolliert werden kann und die auch bei einer Vielzahl von Materialien funktioniert.
Quellgel
„Das Wesen des Reaktionszyklus besteht darin, dass er zwischen einem ungeladenen und einem geladenen Teilchen umschalten kann, indem ihm ein chemischer Brennstoff hinzugefügt wird“, erklärt Eelkema. „Dadurch können wir Materialien aufladen und damit deren Strukturen verändern, denn gleiche Ladungen stoßen sich ab und unterschiedliche Ladungen ziehen sich an. Die Art und Menge des Brennstoffs bestimmt die Reaktionsgeschwindigkeit und damit die Dauer einer Ladung und damit einer bestimmten Struktur existiert.“
Die Forscher nutzten ihren Reaktionszyklus zum Beispiel, um ein Hydrogel aufzuladen, woraufhin sich die Ladungen abstießen und das Gel zu quellen begann.
Weiche Roboter
Der Kreislauf chemischer Reaktionen könnte nützlich sein, um weiche Roboter zu bauen: kleine Geräte, die physisch weich sind, wie unsere Haut und unser Gewebe, und bestimmte Funktionen ausführen können.
„Es gibt bereits weiche Roboter, zum Beispiel Mikropartikel, die von außen durch magnetische oder elektrische Felder gesteuert werden. Aber letztendlich möchte man, dass ein Roboter in der Lage ist, sich selbst zu steuern: selbst zu sehen, wo er ist und was passiert, und dann entsprechend zu reagieren.“ sagt Eelkema. „Man kann unseren Zyklus vorab in ein Teilchen programmieren, es dann in Ruhe lassen und es führt seine Funktion selbstständig aus, sobald es ein entsprechendes Signal erhält.“
Eelkemas nächster Schritt ist es, den Prozess mit der Umgebung zu verknüpfen, indem er eine Signalverarbeitung hinzufügt: „Ein Polymerpartikel könnte beispielsweise einige Komponenten eines solchen Kreislaufs enthalten. Wenn es auf den letzten Teil der Reaktion trifft, ist der Kreislauf abgeschlossen und dient.“ als Signal zum Zerfallen oder Aufquellen zum Beispiel.“
Die Definition des Lebens
Zellen von Menschen oder anderen Organismen benötigen Energie für eine Vielzahl von Funktionen: um sich zu bewegen, um zu spüren, dass etwas passiert oder um sich zu teilen. „Das ist auch der Grund, warum wir Menschen essen müssen“, erklärt Eelkema. „Diese Verknüpfung von Energie und Funktion findet durch chemische Reaktionen statt und macht Lebewesen aus. Sie ermöglicht es Zellen, lokal und zeitlich begrenzt zu steuern, wann und wo Strukturen gebildet oder Prozesse ablaufen.“
Im Gegensatz dazu können unbelebte Materialien ewig existieren und ohne Energieversorgung funktionieren. Bis vor einem Jahrzehnt gab es keine Prozesse, die einen chemischen Brennstoff verwenden konnten, um Wechselwirkungen in nicht lebenden Materialien voranzutreiben. Eelkema sagt: „Wir haben das hier in Delft eingeführt, zusammen mit einigen anderen Orten, und seitdem ist das Feld explodiert.“
Mehr Informationen:
Benjamin Klemm et al, Zeitlich programmierte Polymer-Lösungsmittel-Wechselwirkungen unter Verwendung eines chemischen Reaktionsnetzwerks, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-33810-y