Идея создания этих био-чернил пришла из деревьев, которые используют силу фотосинтеза для производства глюкозы, которая превращается в целлюлозу и укрепляет клеточную структуру растений. «Когда деревья молодые, – говорит Ван, – они гибкие, зрелые – жесткие."
«Идея исследования также вдохновлена Моряком Попаем, анимированным персонажем, который может укрепить свои мускулы, поедая шпинат», – говорит Ван, чьи исследования сосредоточены на биоинспектированном производстве и механике беспрецедентных материалов и структур, которые потенциально могут решить инженерные задачи в инфраструктуре. , энергетика, робототехника, здравоохранение и окружающая среда.
«Теперь мы используем научные инновации, чтобы реализовать наше детское воображение», – говорит Ван.
Исследовательская группа, стоящая за этим исследованием, в которую входят доктор Витерби Университета Южной Калифорнии,.D. студенты Кунхао Ю и Чжанчжэнжун Фэн в качестве ведущих авторов вместе с профессором Николасом X. Фанг из Массачусетского технологического института и профессор Кьяра Дарайо из Калифорнийского технологического института использовали центрифугу для извлечения хлоропластов из шпината, приобретенного у Trader Joe’s. Они смешали хлоропласты шпината с недавно изобретенными полимерными чернилами для 3D-печати. Затем они использовали чернила для 3D-печати структур. Применяя свет к структуре из трех отпечатков, они создали условия для выработки глюкозы растительного происхождения, которая вступает в реакцию с полимером, делая материал более прочным и прочным.
Исследователи считают, что, применяя от двух до четырех часов света и имитируя силу фотосинтеза, этот «живой материал» может самоукрепляться, в шесть раз превосходя его первоначальную силу. Более того, усиливающий эффект, вызванный живыми хлоропластами, можно временно приостановить, заморозив материал при 0? (хлоропласты временно замедляются при замерзании). Как только температура вернется к комнатной, укрепляющий эффект можно будет возобновить.
«Материал ведет себя как змея, которая зимует в спячке», – говорит Ван.
«Такое временное« подвешивающее поведение »никогда не демонстрировалось в существующих конструкционных материалах», – добавляет Ван.
Ю, ведущий автор статьи, отмечает: «Эта технология с градиентным световым освещением позволяет создавать инженерные конструкции с градиентной жесткостью, которые демонстрируют исключительную« амортизацию », намного превосходящую свойства однородных.
«Еще одно поразительное открытие заключается в том, что эффект усиления можно регулировать с помощью внешней силы», – сказал Фэн, другой ведущий автор статьи.
«Когда вы вешаете груз на ветку дерева, эта ветка становится намного прочнее, чем другие ветви, – процесс, называемый« механотрансдукция »."То же явление происходит и здесь.
Команда предполагает применить фотосинтез к материалам, чтобы разработать индивидуальную подошву кроссовок, напечатанную на 3D-принтере, которая приспосабливается к ноге и имеет индивидуальную жесткость.
Некоторые растения проявляют способность к самовосстановлению во время прививки и заживления ран. По словам исследователей, «живой материал», пропитанный хлоропластами в лаборатории USC, также обладает выдающимся самовосстанавливающимся свойством.
Такое свойство индуцируется производимой фотосинтезом глюкозой, которая создает молекулярный процесс сшивания (по сути, эквивалентен созданию швов). Такая способность к ремонту трещин может быть применена в гребных винтах лодок или даже в дронах.