“Fast Light-Driven Motion of Polydopamine Nanomembranes” Vasileiadis, T., Marchesi D'Alvise, T., Saak, C.-M., Pochylski, M., Harvey, S., Synatschke, Christopher V., Gapinski, J., Fytas, G., Backus, Ellen H. G., Weil, T., Graczykowski, B. Nano Letters 22(2), pp. 578-585 (2022). 10.1021/acs.nanolett.1c03165
Obecnie szeroko rozwijana, zdolność do wytwarzania robotów w nanoskali w przyszłości może znaleźć zastosowanie w mikrochirurgii, diagnostyce medycznej i dostarczaniu leków [1], a także w elektronice użytkowej i urządzeniach haptycznych [2]. Takie podejście niesie jednak za sobą problemy związane ze stosowaniem skomplikowanych konstrukcyjnie elementów, takich jak koła zębate i przeguby. Aby zmniejszyć stopień złożoności takich konstrukcji, obecnie podejmuje się prace nad projektowaniem i budowaniem nanorobotów z miękkich, elastycznych materiałów. Dzięki temu, możliwe jest rozszerzenie właściwości funkcjonalnych takich układów a nanoroboty będą mogły zmieniać kształt i objętość, samo-leczyć, pływać lub działać jako miękkie uchwyty lub nawet sztuczne mięśnie.
Jednym z najważniejszych kamieni milowych rozwoju tej gałęzi nanorobotyki było odkrycie miękkich materiałów (takich jak polimery), które mogą się kurczyć tak jak robią to ludzkie mięśnie. Takie zachowanie możliwe jest poprzez dostarczenie ,,zastrzyku energii” w określonej formie. Aby zapewnić elastyczne działanie, skurcz ten powinien być napędzany różnymi formami energii, takimi jak światło, gorące opary chemiczne, a nawet zwykłe ciepło. Zachowanie takie jest dość rzadkie, ponieważ większość materiałów rozszerza się po podgrzaniu. W przypadku opisanych materiałów odwrotnie dochodzi do zmniejszenia jego wymiarów. Zjawisko to opisuje się jako „ujemną ekspansję”.
W niedawnej pracy [3] opublikowanej przez Bartłomieja Graczykowskiego (Wydziale Fizyki UAM), wraz z grupą naukowców z Zakładu Biofizyki Molekularnej oraz we współpracy z Max Planck Institute for Polymer Research w Moguncji (Niemcy) odkryli formę ujemnej ekspansji w ultracienkich membranach polimerowych zawierających Polidopaminę. W tym przypadku ujemna ekspansja wynikała z interakcji cząsteczek wody z strukturą molekularną polimeru.
Polidopamina to materiał inspirowany organicznym klejem małży odkrytym w 2007 roku [4]. Dotychczas jej zastosowania obejmowały kleje i inteligentne powłoki, a także szeroko rozumiane zastosowania w dziedzinie optoelektroniki, medycyny i ochrony środowiska. Na przestrzeni lat wiele z tych aplikacji zostało opracowanych na podstawie badań prowadzonych przez naukowców z UAM [5],[6],[7].
Dzięki tej nowej pracy – opublikowanej w Nano Letters w 2022 roku i nagrodzonej w tym roku patentem – połączenie bezdotykowych technik optycznych po raz pierwszy wykazało, że nanomembrany czystej polidopaminy mogą również wykazywać szybki ruch napędzany światłem (patrz zdjęcie). Równocześnie, ten sam ruch może być napędzany przez ciepło lub wilgoć. Co więcej, inne rodzaje bioinspirowanych polimerów mogą wykazywać pewien rodzaj ujemnej ekspansji.
Osiągnięcia te otwierają drogę do opracowania siłowników i czujników inspirowanych biologią. Na dalsze badania i rozwój tych technologii Bartłomiej Graczykowski i Wydział Fizyki UAM otrzymali dodatkowe dofinansowanie z Narodowego Centrum Nauki w ramach projektu OPUS.
Referencje:
[1] “Soft Micro- and Nanorobotics.” Hu, C., Pane, S., Nelson, B.J. Annual Review of Control, Robotics, and Autonomous Systems 1, pp. 53-75 (2018).
https://doi.org/10.1146/annurev-control-060117-104947
[2] “Soft actuators for real-world applications.” Li, M., Pal, A., Aghakhani, A., Pena-Francesch, A., Sitti, M. Nature Reviews Materials 7(3), pp. 235-249 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41578-021-00389-7
[3] “Fast Light-Driven Motion of Polydopamine Nanomembranes” Vasileiadis, T., Marchesi D'Alvise, T., Saak, C.-M., Pochylski, M., Harvey, S., Synatschke, Christopher V., Gapinski, J., Fytas, G., Backus, Ellen H. G., Weil, T., Graczykowski, B. Nano Letters 22(2), pp. 578-585 (2022).
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03165
[4] “Mussel-Inspired Surface Chemistry for Multifunctional Coatings.” Lee, H., et al. Science 318(5849), pp. 426-430 (2007).
https://doi.org/10.1126/science.1147241
[5] “Polydopamine Films with 2D-like Layered Structure and High Mechanical Resilience.” Coy, E., Iatsunskyi, I., Colmenares, J.C., Kim, Y., Mrówczyński, R. ACS Applied Materials and Interfaces 13(19), pp. 23113-23120 (2021).
https://doi.org/10.1021/acsami.1c02483
[6] “Polydopamine-Based Multifunctional (Nano)materials for Cancer Therapy.” Mrowczynski, R. ACS Applied Materials and Interfaces 10(9), pp. 7541-7561 (2018).
https://doi.org/10.1021/acsami.7b08392
[7] “Polydopamine films: Electrochemical growth and sensing applications.” Szewczyk, J., Aguilar-Ferrer, D., Coy, E. European Polymer Journal 174, 111346 (2022).
https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2022.111346
