Mikroskopiske solsikker for bedre solpaneler

Puderne på gekkoernes berygtede klæbrige fødder er dækket af setae - mikroskopisk, hårlignende strukturer, hvis kemiske og fysiske sammensætning og store fleksibilitet gør, at firben let kan gribe fat i vægge og lofter. Forskere har forsøgt at replikere sådanne dynamiske mikrostrukturer i laboratoriet med en række forskellige materialer, herunder flydende krystalelastomerer (LCE'er), som er gummiagtige netværk med vedhæftede flydende krystallinske grupper, der dikterer i hvilke retninger LCE'erne kan bevæge sig og strække sig. Indtil nu, syntetiske LCE'er har for det meste været i stand til at deformere i kun en eller to dimensioner, begrænser strukturenes evne til at bevæge sig gennem rummet og antage forskellige former.

Nu, en gruppe forskere fra Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering og John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har udnyttet magnetfelter til at styre molekylstrukturen i LCE'er og skabe mikroskopiske tredimensionelle polymerformer, der kan programmeres til bevæge sig i enhver retning som reaktion på flere typer stimuli. Arbejdet, rapporteret i PNAS , kunne føre til oprettelse af en række nyttige enheder, herunder solpaneler, der vender sig efter solen for forbedret energifangst.

"Det kritiske ved dette projekt er, at vi er i stand til at kontrollere molekylstrukturen ved at justere flydende krystaller i en vilkårlig retning i 3D-rum, giver os mulighed for at programmere næsten enhver form i selve materialets geometri, "sagde første forfatter Yuxing Yao, som er kandidatstuderende i laboratoriet hos Wyss Founding Core Faculty Member Joanna Aizenberg, Ph.d.

Mikrostrukturerne skabt af Yao og Aizenbergs team er lavet af LCE'er, der er støbt i vilkårlige former, der kan deformeres som reaktion på varme, lys, og fugtighed, og hvis specifikke rekonfiguration styres af deres egne kemiske og materielle egenskaber.Forskerne fandt ud af, at ved at udsætte LCE -forstadierne for et magnetfelt, mens de blev syntetiseret, alle de flydende krystallinske elementer inde i LCE'erne stillede sig op langs magnetfeltet og beholdt denne molekylære justering, efter at polymeren var størknet. Ved at variere magnetfeltets retning under denne proces, forskerne kunne diktere, hvordan de resulterende LCE -former ville deformeres, når de opvarmes til en temperatur, der forstyrrede orienteringen af ​​deres flydende krystallinske strukturer. Når den vender tilbage til omgivelsestemperatur, de deformerede strukturer genoptog deres oprindelige, internt orienteret form.

Sådanne programmerede formændringer kan bruges til at oprette krypterede meddelelser, der kun afsløres, når de opvarmes til en bestemt temperatur, aktuatorer til små bløde robotter, eller klæbende materialer, hvis klæbrighed kan tændes og slukkes. Systemet kan også få former til at bøje sig selv i retninger, der normalt ville kræve input af noget energi for at opnå. For eksempel, en LCE-plade viste sig ikke kun at undergå "traditionel" bøjning uden for flyet, men også bøjning eller vridning i flyet, forlængelse, og sammentrækning. Derudover unikke bevægelser kunne opnås ved at udsætte forskellige områder af en LCE -struktur for flere magnetfelter under polymerisering, som derefter deformeres i forskellige retninger ved opvarmning.

Holdet var også i stand til at programmere deres LCE-former til at omkonfigurere sig selv som reaktion på lys ved at inkorporere lysfølsomme tværbindingsmolekyler i strukturen under polymerisation. Derefter, når strukturen blev belyst fra en bestemt retning, siden mod lyset trækkes sammen, får hele formen til at bøje mod lyset. Denne form for selvreguleret bevægelse giver LCE'er mulighed for at deformere som reaktion på deres omgivelser og løbende omorientere sig selv til selvstændigt at følge lyset.

Derudover LCE'er kan oprettes med både varme- og lysfølsomme egenskaber, sådan, at en enkeltmaterialestruktur nu er i stand til flere former for bevægelse og reaktionsmekanismer.

En spændende anvendelse af disse multiresponsive LCE'er er oprettelsen af ​​solpaneler dækket af mikrostrukturer, der vender sig efter solen, når den bevæger sig hen over himlen som en solsikke, hvilket resulterer i mere effektiv lysoptagelse. Teknologien kunne også danne grundlag for autonome kildefølgende radioer, kryptering på flere niveauer, sensorer, og smarte bygninger.

"Vores laboratorium har i øjeblikket flere igangværende projekter, hvor vi arbejder på at kontrollere kemien i disse LCE'er for at muliggøre unikke, tidligere uset deformationsadfærd, da vi mener, at disse dynamiske bioinspirerede strukturer har potentiale til at finde anvendelse på en række områder, "sagde Aizenberg, som også er Amy Smith Berylson professor i materialevidenskab ved SEAS.

"At stille grundlæggende spørgsmål om, hvordan naturen fungerer, og om det er muligt at replikere biologiske strukturer og processer i laboratoriet, er kernen i Wyss Instituts værdier, og kan ofte føre til innovationer, der ikke kun matcher naturens evner, men forbedre dem for at skabe nye materialer og enheder, der ellers ikke ville eksistere, "sagde Wyss Institutes grundlægger, Donald Ingber, M.D., Ph.d., som også er Judah Folkman professor i vaskulær biologi ved Harvard Medical School og Vascular Biology Program på Boston Children's Hospital, samt professor i bioingeniør ved SEAS.