Tutkijat onnistuivat kouluttamaan materiaalia kuin Pavlovin koiraa

Psykologian behaviorismin konseptit tunkeutuvat materiaalitieteeseen.

Ivan Pavlovin kuuluisassa psykologian kokeessa koira saatiin erittämään sylkeä kelloa soittamalla. Nyt Aalto-yliopiston ja Tampereen yliopiston materiaalitutkijat ovat tehneet Pavlovin innoittamana materiaalin, joka oppii reagoimaan uuteen ärsykkeeseen.

Tutkimuksessa merileväuutetta, vettä ja kultananopartikkeleita sisältävä kiinteä geeli saatiin sulamaan juoksevaksi värivalojen avulla, ilman suoraa lämmitystä.

”Tämä on täysin uutta, sillä kukaan muu ei valmista materiaaleja Pavlovin teoria mielessään. Meitä kiinnosti kokeilla, miten ehdollistuminen voisi toimia materiaalitieteessä”, sanoo tutkijatohtori Hang Zhang Aalto-yliopistosta.

Pavlov koulutti koiraa soittamalla kelloa joka kerta sitä ruokkiessaan. Koira oppi ensin yhdistämään kellonsoiton ruokaan ja sitten kuolaamaan heti kellonsoiton kuullessaan – vaikkei haistanut tai nähnyt syötävää.

Tutkimusryhmän kehittämä geeli noudattaa samaa logiikkaa, mutta ruokaa vastaa lämmittäminen ja kelloa värillinen valo. Jos geeliä valaistaan punaisella ja sinisellä valolla, ei tapahdu mitään. Jos geeli sulatetaan, annetaan sen kovettua ja sitä valaistaan sen jälkeen punaisella ja sinisellä valolla, ei vieläkään tapahdu mitään. Mutta jos geeliä valaistaan sulattamisen aikana punaisella ja sinisellä valolla, geeli alkaa spontaanisti sulaa ilman lämmittämistä, pelkkien värivalojen vaikutuksesta.

Salaisuus kultananopartikkeleissa

Geelin ehdollistuminen on erityisesti sen sisältäminen kultananopartikkeleiden ansiota. Valmistusprosessissa kultananopartikkelit sekoittuvat geeliin summittaisesti. Jos geeli sulatetaan ja kovetetaan uudelleen ilman, että siihen suunnataan valoa tietyllä aallonpituudella, nanopartikkelit pysyttelevät geelissä edelleen summittaisesti sijoittuneina. Mutta jos geeliä valaistaan sulattamisen aikana sopivalla sinisellä ja punaisella valolla, nanopartikkelit takertuvat yhteen ja muodostavat pieniä ketjuja. Kun geelin kultananopartikkelit ovat järjestäytyneet ketjuihin ja geeliä valaistaan sinisen ja punaisen valon sekoituksella, ketjut lämpenevät eri tavoin kuin yksittäiset nanopartikkelit ja geeli oppii sulamaan itsestään tällä valotuksella. Kultananopartikkelit toimivat täten ikään kuin materiaalin muistina.

”Nyt tiedämme, että materiaali voidaan ehdollistaa reagoimaan uusiin ulkoisiin ärsykkeisiin, kun materiaalissa on muisti, johon voidaan vaikuttaa. Uskomme, että ehdollistaminen voidaan toteuttaa muillakin tavoilla käyttämällä eri materiaaleja, ja näin voimme saada erilaisia uusia ominaisuuksia”, Zhang lisää.

Tutkimusryhmässä olivat Zhangin lisäksi Aalto-yliopiston professori Olli Ikkala, sekä tutkijatohtori Hao Zeng ja professori Arri Priimägi Tampereen yliopistosta. Tutkimus toteutettiin Suomen Akatemian Biosynteettisten hybridimateriaalien molekyylimuokkauksen huippuyksikössä (HYBER), yhteistyössä Tampereen yliopiston tutkijoiden kanssa. Hanke on rahoitettu Euroopan tiedeneuvoston (European Research Council) hankkeista DRIVEN ja PHOTOTUNES.

Artikkeli Nature Communications –lehdessä

Jos geeliä (harmaat viivat) valaistaan sulattamisen aikana sinisellä ja punaisella valolla, nanopartikkelit (keltaiset pallot) takertuvat yhteen ja muodostavat pieniä ketjuja. Geeli alkaa sulaa ilman lämmittämistä, pelkkien värivalojen vaikutuksesta.