Euroopan tutkimusneuvoston miljoonarahoitus hydrogeelien tutkimukseen – uudenlaiset materiaalit voivat oppia sopeutumaan ja säätelemään itseään paremmin

Materiaalitutkijat voivat ottaa vaikutteita siitä, miten luonto toimii sekä mikro- että makroskooppisella tasolla, ja käyttää niitä työssään hyödyksi niin suunnitellessaan uusia kuin kehittäessään jo olemassa olevia materiaaleja. Bio- tai elämästä inspiroituneiksi materiaaleiksi kutsutulla alalla on laaja vaikutus myös materiaalitieteen ulkopuolella, sillä se tuo paljon uusia näkemyksiä esimerkiksi robotiikkaan, lääketieteeseen ja joustavan elektroniikan tutkimukseen ja kehittämiseen

Tutkijana työskentelevä tohtori Hang Zhang aloitti Aalto-yliopistolla vuonna 2017, nykyisin hän johtaa omaa Life-Inspired Soft Materials -tutkimusryhmäänsä. Zhang on alusta alkaen on työskennellyt niin sanotun pehmeän aineen parissa – eli käytännössä kaiken sellaisen mikä ei ole metallia, kiveä tai muuta kovaa materiaalia. Hän on erityisesti kiinnostunut kiinteän ja nestemäisen aineen yhdistelmistä eli hydrogeeleistä, ja Zhang tutkiikin miten niitä voidaan käyttää eri mittakaavoissa jo nanometreistä lähtien.

”Elävät järjestelmät, kuten kasvit tai mikroskooppiset bakteerit ovat uskomaton inspiraation lähde, koska niillä on monia kiinnostavia ominaisuuksia: esimerkiksi itsesäätely, lämpöenergian tehokas häivyttäminen ja kyky sopeutua ympäristöön”, Zhang sanoo.

Zhangille on torstaina myönnetty 1,5 miljoonaan euron arvoinen Euroopan tutkimusneuvosto ERC:n Starting Grant -tutkimusrahoitus viiden vuoden ajaksi. Sen turvin hän perustaa DIMENSION-nimisen projektin, jonka tavoitteena on tehdä läpimurto pehmeiden materiaalien tutkimuksessa luomalla hydrogeeleihin fysikaalisia takaisinkytkentäsilmukoita, joita voidaan soveltaa yksi-, kaksi- ja kolmiulotteisissa geometrioissa.

”ERC-rahoitus auttaa minua perehtymään syvemmin näiden monimutkaisten takaisinkytkentäsilmukoiden toimintaan hydrogeeleissä. Sitä ei ole aiemmin juurikaan tutkittu”, Zhang sanoo.

Rahoituksen avulla Zhang tutkimusryhmineen hyödyntää takaisinkytkentäjärjestelmien avulla hallinnoitavaa lasersädettä uusien materiaalien kehittämiseen hydrogeelistä. Tarkoitus on saada hydrogeelejä havaitsemaan ulkoisia ärsykkeitä ja vastaamaan niihin sopivalla tavalla. Ryhmän ainutlaatuinen keksintö on hydrogeelin sopeutuvuus moniin ulottuvuuksiin.

”Tähän asti hydrogeelien toiminta on rajoittunut vain tiettyihin geometrisiin ulottuvuuksiin, eivätkä ne siitä johtuen ole olleet yhtä helposti säädettäviä. Projektimme kehittää takaisinkytkentäjärjestelmiä, jotka toimivat yksi-, kaksi- ja kolmiulotteisesti. Tämä mahdollistaa aiempaa tarkemman hienosäädön ja sopeutumisen”, Zhang sanoo.

Zhangin mukaan DIMENSION-projekti tulee tarjoamaan täysin uusia keinoja rakentaa takaisinkytkentäjärjestelmiä pehmeissä materiaaleissa. Niiden avulla tutkijat ja insinöörit voivat tulevaisuudessa luoda uudenlaisia materiaaleja, jotka ovat parempia sopeutumaan ympäristöönsä, säätelevät itseään tehokkaammin ja kykenevät monimutkaisempiin toimintoihin kuin aiemmat materiaalit.

Tutkimuksen sovellusmahdollisuudet ovat paljon pelkkää kemiaa ja fysiikkaa laajempia. Esimerkiksi lääketiede, robotiikka ja joustavan elektroniikan tutkimus voivat hyödyntää Zhangin tutkimusryhmän tuloksia uusia materiaaleja rakentaessaan.

”Näiden mallijärjestelmien toteuttaminen auttaa meitä saamaan syvällisempää tietoa monimutkaisen takaisinkytkentäohjauksen toteuttamisesta pehmeissä materiaaleissa ja ottamaan askeleen eteenpäin kohti synteettisten materiaalien suurinta haastetta, eli luoda aidosti elämän inspiroimia, dissipatiivisia, itsesääteleviä ja adaptiivisia toimintoja”, Zhang sanoo.

Euroopan tutkimusneuvosto ERC myöntää rahoitusta huippututkijoille korkeatasoiseen ja uraauurtavaan tutkimukseen. ERC Starting Grantin voi saada erittäin lupaava nuori tutkija, jonka tohtorintutkinnosta on kulunut 2–7 vuotta.