Styret af lys alene, nyt smart materiale twist, bøj og bevæg dig

Forskere ved Tufts University School of Engineering har skabt lysaktiverede komposit-enheder, der er i stand til at udføre præcise, synlige bevægelser og danner komplekse tredimensionelle former uden behov for ledninger eller andre aktiveringsmaterialer eller energikilder. Designet kombinerer programmerbare fotoniske krystaller med en elastomer komposit, der kan konstrueres på makro- og nanoskalaen til at reagere på belysning.

Forskningen giver nye veje til udvikling af smarte lysdrevne systemer såsom højeffektive, selvjusterende solceller, der automatisk følger solens retning og lysvinkel, lysaktiverede mikrofluidventiler eller bløde robotter, der bevæger sig med lys efter behov. En "fotonisk solsikke, "hvis kronblade krøller mod og væk fra belysning, og som følger lysets vej og vinkel, demonstrerer teknologien i et papir, der udkommer 12. marts, 2021 i Naturkommunikation .

Farve er resultatet af absorption og refleksion af lys. Bag hvert glimt af en iriserende sommerfuglevinge eller opal ædelsten ligger komplekse interaktioner, hvor naturlige fotoniske krystaller indlejret i vingen eller stenen absorberer lys af specifikke frekvenser og reflekterer andre. Vinklen, hvormed lyset møder den krystallinske overflade, kan påvirke, hvilke bølgelængder der absorberes og den varme, der genereres fra den absorberede energi.

Det fotoniske materiale designet af Tufts-teamet forbinder to lag:en opallignende film lavet af silkefibroin dopet med guldnanopartikler (AuNP'er), dannelse af fotoniske krystaller, og et underliggende substrat af polydimethylsiloxan (PDMS), en siliciumbaseret polymer. Ud over bemærkelsesværdig fleksibilitet, holdbarhed, og optiske egenskaber, silkefibroin er usædvanligt ved at have en negativ termisk udvidelseskoefficient (CTE), hvilket betyder, at det trækker sig sammen, når det opvarmes og udvider sig, når det afkøles. PDMS, i modsætning, har en høj CTE og udvider sig hurtigt ved opvarmning. Som resultat, når det nye materiale udsættes for lys, det ene lag opvarmes meget hurtigere end det andet, så materialet bøjer sig, når den ene side udvider sig, og den anden trækker sig sammen eller udvider sig langsommere.

"Med vores tilgang, vi kan mønstre disse opallignende film i flere skalaer for at designe den måde, de absorberer og reflekterer lys. Når lyset bevæger sig, og mængden af ​​energi, der absorberes, ændres, materialet foldes og bevæger sig forskelligt som funktion af dets relative position til dette lys, " sagde Fiorenzo Omenetto, tilsvarende forfatter til undersøgelsen og Frank C. Doble Professor of Engineering ved Tufts.

Mens de fleste optomekaniske enheder, der konverterer lys til bevægelse, involverer kompleks og energikrævende fremstilling eller opsætning, "Vi er i stand til at opnå udsøgt kontrol af lysenergikonvertering og generere 'makrobevægelse' af disse materialer uden behov for elektricitet eller ledninger, " sagde Omenetto.

Forskerne programmerede de fotoniske krystalfilm ved at anvende stencils og derefter udsætte dem for vanddamp for at generere specifikke mønstre. Mønsteret af overfladevand ændrede bølgelængden af ​​absorberet og reflekteret lys fra filmen, hvilket får materialet til at bøje, fold og vrid på forskellige måder, afhængigt af mønsterets geometri, når de udsættes for laserlys.

Forfatterne demonstrerede i deres undersøgelse en "fotonisk solsikke, " med integrerede solceller i tolagsfilmen, så cellerne sporede lyskilden. Den fotoniske solsikke holdt vinklen mellem solcellerne og laserstrålen næsten konstant, maksimering af cellernes effektivitet, når lyset bevægede sig. Systemet ville fungere lige så godt med hvidt lys, som det gør med laserlys. Sådan trådløs, lys-reagerende, heliotropiske (solfølgende) systemer kunne potentielt forbedre lys-til-energi konverteringseffektiviteten for solenergiindustrien. Holdets demonstrationer af materialet omfattede også en sommerfugl, hvis vinger åbnede og lukkede som reaktion på lys og en selvfoldende kasse.