Ein Forscherteam unter der Leitung der University of California San Diego hat weiche und dennoch haltbare Materialien entwickelt, die als Reaktion auf mechanische Belastungen wie Kompression, Dehnung oder Verdrehung leuchten. Die Materialien beziehen ihre Lumineszenz von einzelligen Algen, sogenannten Dinoflagellaten.
Die Arbeit wurde von den biolumineszierenden Wellen inspiriert, die während der Rotflut an den Stränden von San Diego beobachtet wurden veröffentlicht 20. Okt. in Wissenschaftliche Fortschritte.
„Ein aufregendes Merkmal dieser Materialien ist ihre inhärente Einfachheit – sie benötigen keine Elektronik, keine externe Stromquelle“, sagte der leitende Autor der Studie, Shengqiang Cai, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der UC San Diego Jacobs School of Engineering. „Wir zeigen, wie wir die Kraft der Natur nutzen können, um mechanische Reize direkt in Lichtemission umzuwandeln.“
Diese Studie war eine multidisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren und Materialwissenschaftlern in Cais Labor, dem Meeresbiologen Michael Latz von der Scripps Institution of Oceanography der UC San Diego und dem Physikprofessor Maziyar Jalaal von der Universität Amsterdam.
Die Hauptbestandteile der biolumineszierenden Materialien sind Dinoflagellaten und ein auf Algen basierendes Polymer namens Alginat. Diese Elemente wurden zu einer Lösung gemischt, die dann mit einem 3D-Drucker verarbeitet wurde, um vielfältige Formen wie Gitter, Spiralen, Spinnennetze, Kugeln, Blöcke und pyramidenartige Strukturen zu erzeugen. Im letzten Schritt wurden die 3D-gedruckten Strukturen dann ausgehärtet.
Wenn die Materialien komprimiert, gedehnt oder verdreht werden, reagieren die darin enthaltenen Dinoflagellaten mit der Emission von Licht. Diese Reaktion ahmt das nach, was im Ozean geschieht, wenn Dinoflagellaten im Rahmen einer Abwehrstrategie gegen Raubtiere Lichtblitze erzeugen. In Tests leuchteten die Materialien, wenn die Forscher darauf drückten und Muster auf ihre Oberfläche zeichneten. Die Materialien waren sogar empfindlich genug, um unter dem Gewicht einer auf ihrer Oberfläche rollenden Schaumstoffkugel zu glühen.
Je größer die ausgeübte Spannung ist, desto heller ist das Leuchten. Die Forscher konnten dieses Verhalten quantifizieren und ein mathematisches Modell entwickeln, das die Intensität des Leuchtens anhand der Größe der ausgeübten mechanischen Belastung vorhersagen kann.
Diese weichen, lebendigen Materialien leuchten als Reaktion auf mechanische Belastungen wie Kompression, Dehnung oder Verdrehung. Bildnachweis: UC San Diego Jacobs School of Engineering
Die Forscher demonstrierten auch Techniken, um diese Materialien unter verschiedenen experimentellen Bedingungen widerstandsfähig zu machen. Um die Materialien so zu verstärken, dass sie erheblichen mechanischen Belastungen standhalten können, wurde der ursprünglichen Mischung ein zweites Polymer, Polyethylenglykoldiacrylat, hinzugefügt. Außerdem sorgte die Beschichtung der Materialien mit einem dehnbaren, gummiartigen Polymer namens Ecoflex für Schutz in sauren und basischen Lösungen. Mit dieser Schutzschicht könnten die Materialien sogar bis zu fünf Monate im Meerwasser gelagert werden, ohne dass sie ihre Form oder biolumineszierenden Eigenschaften verlieren.
Ein weiterer Vorteil dieser Materialien ist ihr minimaler Wartungsaufwand. Um weiter zu funktionieren, benötigen die Dinoflagellaten in den Materialien periodische Licht- und Dunkelheitszyklen. Während der Lichtphase betreiben sie Photosynthese, um Nahrung und Energie zu produzieren, die dann in der Dunkelphase verwendet werden, um bei mechanischer Belastung Licht auszusenden. Dieses Verhalten spiegelt die natürlichen Prozesse wider, die ablaufen, wenn die Dinoflagellaten bei Rotflutereignissen Biolumineszenz im Ozean verursachen.
„Diese aktuelle Arbeit demonstriert eine einfache Methode, lebende Organismen mit nicht lebenden Komponenten zu kombinieren, um neuartige Materialien herzustellen, die sich selbst erhalten und empfindlich auf grundlegende mechanische Reize in der Natur reagieren“, sagte der Erstautor der Studie, Chenghai Li, ein Maschinenbau- und Luft- und Raumfahrtingenieur Ph.D. Kandidat in Cais Labor.
Die Forscher gehen davon aus, dass diese Materialien möglicherweise als mechanische Sensoren zur Messung von Druck, Dehnung oder Spannung eingesetzt werden könnten. Weitere potenzielle Anwendungen sind Soft-Robotik und biomedizinische Geräte, die Lichtsignale nutzen, um eine Behandlung durchzuführen oder Medikamente kontrolliert freizusetzen.
Es gibt jedoch noch viel zu tun, bevor diese Anwendungen realisiert werden können. Die Forscher arbeiten daran, die Materialien weiter zu verbessern und zu optimieren.
Mehr Informationen:
Chenghai Li et al., Ultraempfindliche und robuste mechanolumineszierende lebende Verbundwerkstoffe, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adi8643. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi8643