Forskere udvikler nye materialer, der bevæger sig som reaktion på lys

Forskere ved Tufts University School of Engineering har udviklet magnetiske elastomere kompositter, der bevæger sig på forskellige måder, når de udsættes for lys, øger muligheden for, at disse materialer kan muliggøre en bred vifte af produkter, der udfører enkle til komplekse bevægelser, fra bittesmå motorer og ventiler til solcellepaneler, der bøjer sig mod sollys. Forskningen er beskrevet i en artikel offentliggjort i dag i Proceedings of the National Academy of Sciences .

I biologi, der er mange eksempler, hvor lys fremkalder bevægelse eller forandring - tænk på blomster og blade, der vender sig mod sollys. De lysaktiverede materialer, der er skabt i denne undersøgelse, er baseret på princippet om Curie -temperaturen - temperaturen over hvilken visse materialer vil ændre deres magnetiske egenskaber. Ved at opvarme og afkøle et magnetisk materiale, man kan slukke og tænde dens magnetisme. Biopolymerer og elastomerer dopet med ferromagnetisk CrO2 vil varme op, når de udsættes for laser eller sollys, midlertidigt mister deres magnetiske egenskaber, indtil de køler ned igen. Materialets grundlæggende bevægelser, formet til film, svampe, og hydrogeler, induceres af nærliggende permanente eller elektromagneter og kan vise sig som bøjning, vridning, og ekspansion.

"Vi kunne kombinere disse simple bevægelser til mere komplekse bevægelser, som at kravle, gå, eller svømning, " sagde Fiorenzo Omenetto, Ph.D., tilsvarende forfatter til undersøgelsen og Frank C. Doble professor i ingeniørvidenskab på Ingeniørskolen på Tufts. "Og disse bevægelser kan udløses og styres trådløst, ved hjælp af lys."

Omenettos team demonstrerede nogle af disse komplekse bevægelser ved at konstruere bløde gribere, der fanger og frigiver objekter som reaktion på lysbelysning. "En af fordelene ved disse materialer er, at vi selektivt kan aktivere dele af en struktur og kontrollere dem ved hjælp af lokaliseret eller fokuseret lys, " sagde Meng Li, den første forfatter til papiret, "Og i modsætning til andre lysaktiverede materialer baseret på flydende krystaller, disse materialer kan formes til at bevæge sig enten mod, eller væk fra lysets retning. Alle disse funktioner tilføjer til evnen til at gøre objekter store og små med komplekse, koordinerede bevægelser."

For at demonstrere denne alsidighed, forskerne konstruerede en simpel "Curie-motor". En let aktiveret film blev formet til en ring og monteret på en nålestolpe. Placeret i nærheden af ​​en permanent magnet, når en laser blev fokuseret på et fast sted på ringen, det afmagnetiserer lokalt den del af ringen, skaber en ubalanceret nettokraft, der får ringen til at dreje. Som det vender, den afmagnetiserede plet genvinder sin magnetisering, og en ny plet belyses og afmagnetiseres, får motoren til at rotere konstant.

Materialer, der bruges til at skabe de let aktiverede materialer, omfatter polydimethylsoloxan (PDMS), som er en udbredt gennemsigtig elastomer, der ofte er formet til fleksible film, og silke fibroin, som er et alsidigt biokompatibelt materiale med fremragende optiske egenskaber, der kan formes til en lang række former - fra film til geler, tråde, blokke og svampe.

"Med yderligere materialemønster, lysmønster og magnetfeltkontrol, vi kunne teoretisk opnå endnu mere komplicerede og finjusterede bevægelser, såsom foldning og udfoldning, mikrofluidisk ventil omskiftning, motorer i mikro- og nanostørrelse og mere, " sagde Omenetto.