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新型智能材料构成的“光子向日葵”仅靠光控制扭曲弯曲和移动

塔夫茨大学工程学院的研究人员创造了光激活的复合设备,能够执行精确的可见运动,并形成复杂的三维形状,而不需要电线或其他执行材料或能源。该设计结合了可编程光子晶体和弹性复合材料,可以在宏观和纳米尺度上进行工程设计,对照明作出反应。

该研究为智能光驱动系统的发展提供了新的途径,如可自动跟随太阳光方向和角度的高效自对准太阳能电池、光驱动的微流体阀门或按需随光移动的软机器人。今天发表在《自然-通讯》上的一篇论文中,展示了一种 \”光子向日葵\”,它的花瓣向着和远离照明的方向卷曲,它可以跟踪光的路径和角度。

颜色是由光的吸收和反射产生的。在彩虹蝴蝶翅膀或蛋白石宝石的每一次闪光背后,都隐藏着复杂的相互作用,镶嵌在翅膀或宝石中的天然光子晶体会吸收特定频率的光,并反射其他频率的光。光线与晶体表面相遇的角度会影响哪些波长被吸收,以及从吸收的能量中产生的热量。

塔夫茨团队设计的光子材料由两层组成:一层是由掺有金纳米颗粒(AuNPs)的丝纤维素制成的蛋白石状薄膜,形成光子晶体,另一层是硅基聚合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)的底层基材。除了具有显著的柔韧性、耐久性和光学特性外,丝纤维素还具有不同寻常的负热膨胀系数(CTE),这意味着它在加热时收缩,冷却时膨胀。与此相反,PDMS具有较高的CTE,加热时迅速膨胀。因此,当新型材料暴露在光下时,一层的加热速度比另一层快得多,因此材料在一侧膨胀时弯曲,而另一侧收缩或膨胀较慢。

通过这种方法,研究人员可以在多个尺度上对这些蛋白石类薄膜进行图案设计,以设计它们吸收和反射光线的方式。当光线移动和吸收的能量数量发生变化时,材料的折叠和移动方式会因其与该光线的相对位置而有所不同。而大多数将光转化为运动的光学机械装置都涉及到复杂且耗能的制造或设置,现在这种方法能够实现对光能转换的精致控制,并在不需要任何电力或电线的情况下产生这些材料的宏观运动。

研究人员通过应用模板对光子晶体薄膜进行编程,然后将它们暴露在水蒸气中以产生特定的图案。表面水的图案改变了薄膜吸收和反射光的波长,从而使材料在暴露在激光光下时,根据图案的几何形状,以不同的方式弯曲、折叠和扭曲。

作者在研究中展示了一种 \”光子向日葵\”,在双层薄膜中集成了太阳能电池,使电池跟踪光源。光子向日葵使太阳能电池和激光束之间的角度几乎保持不变,当光线移动时,细胞的效率最大化。该系统在使用白光时和在使用激光时一样能正常工作。这种无线、光响应、日向系统有可能提高太阳能产业的光能转换效率。该团队对该材料的演示还包括一只翅膀随光开合的蝴蝶和一个自动折叠的盒子。

新型智能材料构成的“光子向日葵”仅靠光控制扭曲弯曲和移动

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