Forskere skaber morphing-krystaller drevet af vandfordampning

Vandfordampning, som observeret, når en vandpyt forsvinder på en sommerdag, er en bemærkelsesværdig kraftfuld proces. Hvis det blev udnyttet, processen kunne give en ren energikilde til at drive mekaniske maskiner og enheder. I et nyligt offentliggjort blad i Naturmaterialer , et internationalt hold af forskere ledet af forskere ved Advanced Science Research Center ved Graduate Center, CUNY (CUNY ASRC) beskriver udviklingen af ​​formskiftende krystaller, der direkte omdanner fordampningsenergi til kraftige bevægelser.

Disse vandfølsomme materialer blev skabt ved at bruge simple varianter af biologiske byggesten, kendt som tripeptider, at skabe krystaller, der på én gang er stive og formbare. Materialerne er sammensat af tredimensionelle mønstre af porer i nanoskala, hvor vand binder tæt, og disse porer er spækket med et molekylært netværk af stive og fleksible områder. Når fugtigheden sænkes og når en kritisk værdi, vandet slipper ud af porerne, hvilket fører til en kraftig sammentrækning af det indbyrdes forbundne netværk. Dette resulterer i, at krystallerne midlertidigt mister deres ordnede mønstre, indtil fugtigheden er genoprettet, og krystallerne genvinder deres oprindelige form. Denne nydesignede proces kan gentages igen og igen og giver anledning til en bemærkelsesværdig effektiv metode til at høste fordampningsenergi til at udføre mekanisk arbejde.

"Vi skabte i det væsentlige en ny type aktuator, som drives af vandfordampning, " sagde Graduate Center Ph.D.-studerende Roxana Piotrowska, undersøgelsens første forfatter og en forsker ved CUNY ASRC Nanoscience Initiative. "Ved at observere dens aktivitet har vi været i stand til at identificere de grundlæggende mekanismer for, hvordan vand-responsive materialer effektivt kan omdanne fordampning til mekanisk energi."

"Vores arbejde muliggør direkte observation af materialers fordampningsdrevne aktivering på molekylær skala, '' sagde undersøgelsens tilsvarende forfatter Xi Chen, hvis laboratorium sammen med CUNY ASRC Nanoscience Initiative ledede forskningen. "Ved at lære, hvordan man effektivt udvinder energi fra fordampning, og gør det til bevægelse, bedre og mere effektive aktuatorer kan designes til mange applikationer, inklusive anordninger til høst af fordampningsenergi.''

"Vigtigt, vores designede krystaller er produceret af nøjagtig de samme byggesten, som proteiner er lavet af, men de er radikalt forenklet og som et resultat, deres egenskaber kan indstilles præcist og rationelt optimeres til denne applikation, " sagde direktør for CUNY ASRC Nanoscience Initiative Rein Ulijn, hvis laboratorium, som var med til at lede arbejdet, er ansvarlig for de biomolekylære designaspekter af forskningen. "Det smukke ved at bruge biologiske byggesten til at skabe denne nye teknologi er, at de resulterende morfogene krystaller er biokompatible, biologisk nedbrydeligt, og omkostningseffektiv."

Ved at bruge en kombination af laboratoriebaserede eksperimenter og computersimuleringer, forskerne var i stand til at identificere og studere de faktorer, der styrer aktiveringen af ​​disse krystaller. Denne tilgang resulterede i ny indsigt, der informerer designet om mere effektive måder at bruge fordampning til en række forskellige applikationer, som kan omfatte robotkomponenter eller mekaniske mikro- og nanomaskiner, der er drevet af vandfordampning.