由加州大学圣地亚哥分校领导的一组研究人员开发出了柔软而耐用的材料，这些材料可以响应机械应力(例如压缩、拉伸或扭曲)而发光。这些材料的发光源自被称为甲藻的单细胞藻类。

这项工作的灵感来自于圣地亚哥海滩赤潮事件期间观察到的生物发光波，于10月20日发表在《科学进展》上。

“这些材料的一个令人兴奋的特点是它们固有的简单性——它们不需要电子设备，不需要外部电源，”该研究的资深作者、加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院机械和航空航天工程教授蔡盛强说。“我们展示了如何利用自然的力量将机械刺激直接转化为光发射。”

这项研究是一项多学科合作，涉及蔡实验室的工程师和材料科学家、加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋学研究所的海洋生物学家MichaelLatz和阿姆斯特丹大学的物理学教授MaziyarJalaal。

生物发光材料的主要成分是甲藻和一种称为藻酸盐的海藻聚合物。这些元素混合形成解决方案，然后使用3D打印机对其进行处理，以创建各种形状，例如网格、螺旋、蜘蛛网、球、块和金字塔状结构。最后一步是对3D打印的结构进行固化。

当材料受到压缩、拉伸或扭曲时，其中的甲藻会发出光来做出反应。这种反应模仿了海洋中发生的情况，甲藻产生闪光作为捕食者防御策略的一部分。在测试中，当研究人员按压这些材料并在其表面描绘图案时，这些材料会发光。这些材料甚至足够敏感，可以在其表面滚动的泡沫球的重量下发光。

施加的应力越大，发光越亮。研究人员能够量化这种行为，并开发了一种数学模型，可以根据所施加的机械应力的大小来预测发光的强度。

这些柔软的活性材料会因机械应力(例如压缩、拉伸或扭曲)而发光。图片来源：加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院

研究人员还展示了使这些材料在各种实验条件下具有弹性的技术。为了增强材料，使其能够承受巨大的机械载荷，在原始混合物中添加了第二种聚合物，即聚乙二醇二丙烯酸酯。此外，在材料上涂上一种名为Ecoflex的弹性橡胶状聚合物，可以在酸性和碱性溶液中提供保护。有了这个保护层，这些材料甚至可以在海水中储存长达五个月，而不会失去其形状或生物发光特性。

这些材料的另一个有益特征是其维护要求极低。为了继续工作，材料内的甲藻需要周期性的光和暗循环。在光照阶段，它们进行光合作用产生食物和能量，然后在黑暗阶段在施加机械应力时发光。这种行为反映了赤潮期间甲藻在海洋中引起生物发光时发挥作用的自然过程。

“目前的工作展示了一种简单的方法，可以将生物体与非生物成分结合起来，制造出能够自我维持并且对自然界中发现的基本机械刺激敏感的新型材料，”该研究的第一作者、机械和航空航天工程师李成海说。博士蔡实验室的候选人。

研究人员设想这些材料有可能用作机械传感器来测量压力、应变或应力。其他潜在的应用包括使用光信号进行治疗或控制药物释放的软机器人和生物医学设备。

然而，在实现这些应用之前还有很多工作要做。研究人员正在致力于进一步改进和优化材料。

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