При просмотре света, интенсивность которого изменяется, молекулы человеческого глаза, называемые хромофорами, претерпевают преобразования, которые, в свою очередь, вызывают нервные импульсы к радужной оболочке, которая затем физически открывается или закрывается в ответ на изменение интенсивности света. Такие петли обратной связи распространены в биологических системах, но редко встречаются в синтетических материалах, потому что задача дать синтетическим материалам такие трансформационные возможности. Одна из причин, по которой исследователи берут на себя эту задачу, заключается в создании технологий световодного света , которые однажды могут обеспечить вычисления без схем, легкие движения в мягких роботах и лучшую таргетную лекарственную терапию.
Команда исследователей из Университета МакМастера в Канаде, Университета Питтсбурга и Гарвардского университета создали синтетический материал с петлей обратной связи, аналогичной человеческому глазу. Они сделали это, используя тип синтезированного хромофора, называемого спиропираном, который похож на молекулу, используемую для окрашивания переходных линз в очках, и встроили его в гидрогель или сеть сшитых полимеров, которые могут удерживать много воды.

«То, что происходит в нашей системе, - говорит Калайчелви Сараванамутту, химик из университета МакМастер, - это то, что свет вызывает преобразование спиропирана, которое, в свою очередь, влияет на сам гидрогель», что, по сути, является сокращением. Это сокращение выдавливает воду из гидрогеля, но только там, где свет падает на полимер. Эта локальная потеря воды означает локальную разницу в количестве полимеров, через которые проходит лазер, что не дает лазерному свету расходиться, как обычно, в форме конуса 
Как исследователи описывают в своей недавней статье в Слушаниях Национальной академии наук США , лазерный свет побуждает к созданию «самоиндуцированного оптического волокна, которое захватывает лазерный луч». , , и направляет его через среду, не расходясь ». Впоследствии, когда лазер выключается, спиропиран меняет свое молекулярное превращение, и гидрогель расширяется в течение нескольких секунд, впитывая окружающую воду ( см. Схематическое видео выше, секунды 6 - конец) .

Предыдущие исследования этих видов синтезированных светочувствительных гидрогелей в основном были сосредоточены на статических реакциях в стационарных условиях. «Сейчас мы думаем о том, как спроектировать материалы так, чтобы они давали желаемую динамическую реакцию», - говорит Анна Балас, инженер-химик из Университета Питтсбурга, который работал с Сараванамутту. По словам Балаза, общая цель проектирования - «разработать материалы для выполнения простых вычислительных задач».

Первоначальные испытания этой вычислительной мощности включали в себя направление второго параллельного лазерного луча на материал. Исследователи обнаружили, что он может препятствовать прохождению первого луча, блокироваться первым лучом, проходить вместе с первым лучом или отменять первый луч. Результаты такого типа могут соответствовать основным строительным блокам вычислительных задач, называемых логическими элементами, такими как булевы функции И, ИЛИ и НЕ.

«Важно отличать эту работу от очень хорошо зарекомендовавшей себя работы по оптическим вычислениям, где основное внимание уделяется попыткам подражать или конкурировать с цифровыми вычислениями», - говорит Сараванамутту. Балас говорит, что замена проводных цепей для создания полностью оптического ноутбука - не цель, «если вы думаете о новых открытиях, не стоит думать о старых приложениях».

В дополнение к рассмотрению новых применений, открытие также привело к новым вопросам, в частности, потому что два параллельных лазерных луча взаимодействуют - влияя на передачу друг друга через гидрогель - на больших расстояниях разделения, чем ожидали исследователи. Понимание причины, по которой они все еще взаимодействуют, будет одним из предметов изучения в будущей работе.

Источник: Business Week Magazine
Статья переведена: Гятеновым Зульяром