24 de janeiro de 2024
(Destaque do Nanowerk) Os organismos vivos utilizam sinalização química sofisticada para compartilhar informações, localizar parceiros e defender territórios. Aproveitar habilidades semelhantes poderia revolucionar a percepção, a colaboração e a funcionalidade robótica. No entanto, as tentativas anteriores de comunicação química artificial enfrentaram limitações: os materiais careciam de capacidades integradas de envio, recepção e detecção; O controle sobre o tempo e os volumes de liberação de produtos químicos foi insuficiente; As restrições de alcance de transferência dificultaram as aplicações práticas; As reações em cascata de múltiplas etapas eram inviáveis. Um desafio duradouro tem sido o desenvolvimento de materiais adaptáveis que emulem a engenhosidade biológica em diversos ambientes. Avanços recentes em redes de polímeros de cristal líquido (LCNs) mostram-se agora promissores na superação dessas barreiras. LCNs são materiais inteligentes programáveis que mudam de forma quando expostos à luz. Relatando suas descobertas em Materiais avançados (“Facilitando a comunicação interpelicular em sistemas de polímeros artificiais por meio de transferência de líquidos”), uma equipe de pesquisa da Universidade de Tecnologia de Eindhoven criou camadas LCN que imitam a pele. Estas peles artificiais podem enviar, receber e detectar sinais químicos sob demanda. Os materiais demonstram controle dinâmico aprimorado, versatilidade de sinalização, funcionalidade reativa e feedback sensorial.
Ilustração esquemática do processo de comunicação química, incluindo transferência, recepção e detecção de informações. (Reproduzido com permissão por Wiley-VCH Verlag) A abordagem da equipe integra liberação química desencadeada por luz com detecção de carga elétrica. As camadas da pele LCN contêm poros especificamente projetados que são preenchidos com soluções contendo compostos iônicos. A exposição à luz UV faz com que a pele se contraia, empurrando o líquido através dos poros para outra superfície próxima. Este processo de transferência acende uma luz LED, sinalizando uma transmissão bem-sucedida. O líquido emitido também altera a resistência medida eletricamente na pele receptora. Os valores de resistência se correlacionam com os volumes de líquido transmitidos, permitindo que as quantidades exatas de liberação de produtos químicos sejam detectadas. As camadas de pele inteligentes da equipe utilizam um material de rede de polímero de cristal líquido (LCN) misturado com moléculas de azobenzeno fotorresponsivas. O LCN contém poros em nanoescala especificamente projetados e infundidos com soluções iônicas. A exposição à luz ultravioleta desencadeia a inversão da configuração molecular cis-trans do azobenzeno, fazendo com que as moléculas LCN alinhadas percam a ordem. Essa contração comprime os poros, bombeando o líquido. As soluções utilizadas incluem polietilenoglicol, etilenoglicol ou sais iônicos dissolvidos em água.
Procedimento de fabricação do revestimento LCN em substrato de vidro. (Reproduzido com permissão de Wiley-VCH Verlag) A pele artificial permite de forma única reações poliméricas próximas. Como demonstração, os pesquisadores preencheram camadas separadas de LCN com soluções de tiocianato de potássio (KSCN) e cloreto de ferro (III) (FeCl3). O contato desencadeou uma reação imediata de mudança de cor entre os dois produtos químicos. Quando os íons Fe3+ interagem com os íons SCN- transferidos, forma-se um complexo de coordenação de tiocianato de ferro (III) vermelho vibrante. Este indicador visual verifica a capacidade de transferência de líquidos e o potencial reativo do LCN.
As camadas de skin podem alternar entre os modos de envio e recebimento. Após aceitar a solução, as películas retornam líquido quando iluminadas, completando uma transferência bidirecional. A tecnologia facilita reações em cascata em várias etapas em cadeias de três ou mais peles reativas. O tempo variável de exposição à luz fornece controle preciso sobre as taxas de liberação de produtos químicos, de frações de segundo a minutos. Diferentes dimensões de poros da pele podem ser fabricadas, otimizando a compatibilidade do material com diversos compostos orgânicos e inorgânicos.
Os materiais demonstram alta eficiência e precisão durante ciclos iterativos de envio/recebimento. Nos testes, uma pele inicial A enviou 60% de sua solução para o receptor B quando acionada pela luz UV. A pele A transmitiu então um líquido adicional de 19% para um segundo receptor B1. As futuras melhorias na engenharia de superfícies visam aumentar ainda mais o rendimento da transmissão.
Exclusivamente, as camadas artificiais da pele também permitem uma química reativa imediata. A equipe preencheu películas separadas com solução de tiocianato de potássio e solução de cloreto de ferro (III). O contato desencadeou uma reação imediata de mudança de cor. A exposição à luz espacialmente padronizada através de fotomáscaras imprimiu formas correspondentes nas superfícies receptoras durante a transferência. Este nível de especificidade de sinalização é promissor para protocolos de comunicação complexos.
Os pesquisadores destacam aplicações potenciais, incluindo interfaces homem-robô, coordenação multiagente, produção de medicamentos, análise química, microfluídica, superfícies programáveis e redes de sensores inteligentes. A tecnologia fornece uma base para os sistemas de inteligência artificial interpretarem e reagirem às assinaturas químicas ambientais. As capacidades de resposta adaptativa podem permitir que as equipes de robôs colaborem trocando atualizações situacionais, dicas de comportamento e atribuições de tarefas.
O estudo demonstra as principais inovações necessárias para recriar processos biológicos intrínsecos com materiais sintéticos. No entanto, a realização de implementações práticas em grande escala ainda requer uma investigação mais aprofundada. Embora promissoras, as atuais limitações tecnológicas precisam ser abordadas antes da implantação comercial generalizada.
A pesquisa em andamento visa otimizar técnicas de fabricação e configurações de poros para maximizar rendimentos de produção acima de 60%. A equipe está explorando moléculas foto-responsivas alternativas para melhorar a precisão do controle e as taxas de modulação.
O estudo da estabilidade química a longo prazo, dos modos de degradação dos materiais, dos limites de toxicidade e dos fatores de biocompatibilidade será essencial para aplicações que envolvam interações humanas, dispositivos médicos e produção de alimentos. Analisar os riscos de segurança e os impactos ambientais também é fundamental. A investigação de substratos de revestimento alternativos, como elastômeros, permitiria a integração da tecnologia em dispositivos vestíveis e exteriores de robôs. Ambientes de teste maiores são necessários para compreender a dinâmica operacional do mundo real em relação às flutuações de temperatura, umidade e química atmosférica.
Além disso, a coordenação multiagente totalmente descentralizada através de sinalização química permanece teoricamente viável, mas experimentalmente não validada. A criação de comportamentos emergentes complexos de vários robôs, comparáveis a sistemas naturais, como colônias de formigas, por meio de feromônios artificiais, continua sendo uma aspiração. O estudo da dinâmica coletiva de tomada de decisão em grupo deve preceder a formulação de hipóteses sobre os potenciais impactos sociais.
Uma maior colaboração interdisciplinar entre cientistas de materiais, roboticistas e cientistas da computação é fundamental para enfrentar estes desafios em aberto. Abordagens de design criativo que combinam insights de engenharia bioinspirada, fabricação adaptativa e IA incorporada oferecem caminhos para atingir objetivos ambiciosos.
Ilustração esquemática do processo de comunicação química, incluindo transferência, recepção e detecção de informações. (Reproduzido com permissão por Wiley-VCH Verlag) A abordagem da equipe integra liberação química desencadeada por luz com detecção de carga elétrica. As camadas da pele LCN contêm poros especificamente projetados que são preenchidos com soluções contendo compostos iônicos. A exposição à luz UV faz com que a pele se contraia, empurrando o líquido através dos poros para outra superfície próxima. Este processo de transferência acende uma luz LED, sinalizando uma transmissão bem-sucedida. O líquido emitido também altera a resistência medida eletricamente na pele receptora. Os valores de resistência se correlacionam com os volumes de líquido transmitidos, permitindo que as quantidades exatas de liberação de produtos químicos sejam detectadas. As camadas de pele inteligentes da equipe utilizam um material de rede de polímero de cristal líquido (LCN) misturado com moléculas de azobenzeno fotorresponsivas. O LCN contém poros em nanoescala especificamente projetados e infundidos com soluções iônicas. A exposição à luz ultravioleta desencadeia a inversão da configuração molecular cis-trans do azobenzeno, fazendo com que as moléculas LCN alinhadas percam a ordem. Essa contração comprime os poros, bombeando o líquido. As soluções utilizadas incluem polietilenoglicol, etilenoglicol ou sais iônicos dissolvidos em água.
Procedimento de fabricação do revestimento LCN em substrato de vidro. (Reproduzido com permissão de Wiley-VCH Verlag) A pele artificial permite de forma única reações poliméricas próximas. Como demonstração, os pesquisadores preencheram camadas separadas de LCN com soluções de tiocianato de potássio (KSCN) e cloreto de ferro (III) (FeCl3). O contato desencadeou uma reação imediata de mudança de cor entre os dois produtos químicos. Quando os íons Fe3+ interagem com os íons SCN- transferidos, forma-se um complexo de coordenação de tiocianato de ferro (III) vermelho vibrante. Este indicador visual verifica a capacidade de transferência de líquidos e o potencial reativo do LCN.
As camadas de skin podem alternar entre os modos de envio e recebimento. Após aceitar a solução, as películas retornam líquido quando iluminadas, completando uma transferência bidirecional. A tecnologia facilita reações em cascata em várias etapas em cadeias de três ou mais peles reativas. O tempo variável de exposição à luz fornece controle preciso sobre as taxas de liberação de produtos químicos, de frações de segundo a minutos. Diferentes dimensões de poros da pele podem ser fabricadas, otimizando a compatibilidade do material com diversos compostos orgânicos e inorgânicos.
Os materiais demonstram alta eficiência e precisão durante ciclos iterativos de envio/recebimento. Nos testes, uma pele inicial A enviou 60% de sua solução para o receptor B quando acionada pela luz UV. A pele A transmitiu então um líquido adicional de 19% para um segundo receptor B1. As futuras melhorias na engenharia de superfícies visam aumentar ainda mais o rendimento da transmissão.
Exclusivamente, as camadas artificiais da pele também permitem uma química reativa imediata. A equipe preencheu películas separadas com solução de tiocianato de potássio e solução de cloreto de ferro (III). O contato desencadeou uma reação imediata de mudança de cor. A exposição à luz espacialmente padronizada através de fotomáscaras imprimiu formas correspondentes nas superfícies receptoras durante a transferência. Este nível de especificidade de sinalização é promissor para protocolos de comunicação complexos.
Os pesquisadores destacam aplicações potenciais, incluindo interfaces homem-robô, coordenação multiagente, produção de medicamentos, análise química, microfluídica, superfícies programáveis e redes de sensores inteligentes. A tecnologia fornece uma base para os sistemas de inteligência artificial interpretarem e reagirem às assinaturas químicas ambientais. As capacidades de resposta adaptativa podem permitir que as equipes de robôs colaborem trocando atualizações situacionais, dicas de comportamento e atribuições de tarefas.
O estudo demonstra as principais inovações necessárias para recriar processos biológicos intrínsecos com materiais sintéticos. No entanto, a realização de implementações práticas em grande escala ainda requer uma investigação mais aprofundada. Embora promissoras, as atuais limitações tecnológicas precisam ser abordadas antes da implantação comercial generalizada.
A pesquisa em andamento visa otimizar técnicas de fabricação e configurações de poros para maximizar rendimentos de produção acima de 60%. A equipe está explorando moléculas foto-responsivas alternativas para melhorar a precisão do controle e as taxas de modulação.
O estudo da estabilidade química a longo prazo, dos modos de degradação dos materiais, dos limites de toxicidade e dos fatores de biocompatibilidade será essencial para aplicações que envolvam interações humanas, dispositivos médicos e produção de alimentos. Analisar os riscos de segurança e os impactos ambientais também é fundamental. A investigação de substratos de revestimento alternativos, como elastômeros, permitiria a integração da tecnologia em dispositivos vestíveis e exteriores de robôs. Ambientes de teste maiores são necessários para compreender a dinâmica operacional do mundo real em relação às flutuações de temperatura, umidade e química atmosférica.
Além disso, a coordenação multiagente totalmente descentralizada através de sinalização química permanece teoricamente viável, mas experimentalmente não validada. A criação de comportamentos emergentes complexos de vários robôs, comparáveis a sistemas naturais, como colônias de formigas, por meio de feromônios artificiais, continua sendo uma aspiração. O estudo da dinâmica coletiva de tomada de decisão em grupo deve preceder a formulação de hipóteses sobre os potenciais impactos sociais.
Uma maior colaboração interdisciplinar entre cientistas de materiais, roboticistas e cientistas da computação é fundamental para enfrentar estes desafios em aberto. Abordagens de design criativo que combinam insights de engenharia bioinspirada, fabricação adaptativa e IA incorporada oferecem caminhos para atingir objetivos ambiciosos.
– Michael é autor de três livros da Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedade: ultrapassando os limites da tecnologia,
Nanotecnologia: o futuro é minúsculo e
Nanoengenharia: as habilidades e ferramentas que tornam a tecnologia invisível
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- Fonte: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64490.php
