Forskare vid Tufts University School of Engineering har skapat ljusaktiverade kompositenheter som kan utföra exakta, synliga rörelser och bildar komplexa tredimensionella former utan behov av ledningar eller andra påverkningsmaterial eller energikällor. Designen kombinerar programmerbara fotoniska kristaller med en elastomerkomposit som kan konstrueras i makro- och nanoskala för att svara på belysning.

Forskningen ger nya vägar för utveckling av smarta ljusdrivna system som högeffektiva, självinställande solceller som automatiskt följer solens riktning och ljusvinkel, lättmanövrerade mikrofluidventiler eller mjuka robotar som rör sig med ljus vid behov. En "fotonisk solros, "vars kronblad kröker sig mot och bort från belysningen och som följer ljusets väg och vinkel, demonstrerar tekniken i en tidning som publiceras den 12 mars, 2021 in Naturkommunikation .

Färgen är resultatet av absorption och reflektion av ljus. Bakom varje blixt av en iriserande fjärilsvinge eller opal ädelsten ligger komplexa interaktioner där naturliga fotoniska kristaller inbäddade i vingen eller stenen absorberar ljus av specifika frekvenser och reflekterar andra. Vinkeln med vilken ljuset möter den kristallina ytan kan påverka vilka våglängder som absorberas och värmen som alstras från den absorberade energin.

Det fotoniska materialet designat av Tufts-teamet förenar två lager:en opalliknande film gjord av silkesfibroin dopad med guldnanopartiklar (AuNPs), bildar fotoniska kristaller, och ett underliggande substrat av polydimetylsiloxan (PDMS), en kiselbaserad polymer. Förutom anmärkningsvärd flexibilitet, varaktighet, och optiska egenskaper, silkesfibroin är ovanligt att ha en negativ termisk expansionskoefficient (CTE), vilket innebär att det drar ihop sig när det värms upp och expanderar när det kyls. PDMS, i kontrast, har en hög CTE och expanderar snabbt vid uppvärmning. Som ett resultat, när det nya materialet utsätts för ljus, ett lager värms upp mycket snabbare än det andra, så materialet böjs när en sida expanderar och den andra drar ihop sig eller expanderar långsammare.

"Med vårt tillvägagångssätt, vi kan mönstra dessa opalliknande filmer i flera skalor för att designa hur de absorberar och reflekterar ljus. När ljuset rör sig och mängden energi som absorberas förändras, materialet viker sig och rör sig annorlunda som en funktion av dess relativa position till ljuset, sa Fiorenzo Omenetto, motsvarande författare till studien och Frank C. Doble professor i teknik vid Tufts.

Medan de flesta optomekaniska enheter som omvandlar ljus till rörelse involverar komplex och energikrävande tillverkning eller inställningar, "Vi kan uppnå utsökt kontroll av ljusenergiomvandling och generera 'makrorörelse' av dessa material utan behov av elektricitet eller ledningar, sa Omenetto.

Forskarna programmerade de fotoniska kristallfilmerna genom att applicera stenciler och sedan exponera dem för vattenånga för att generera specifika mönster. Mönstret av ytvatten förändrade våglängden för absorberat och reflekterat ljus från filmen, vilket får materialet att böjas, vik och vrid på olika sätt, beroende på mönstrets geometri, när den utsätts för laserljus.

Författarna visade i sin studie en "fotonisk solros, " med integrerade solceller i dubbelskiktsfilmen så att cellerna spårade ljuskällan. Den fotoniska solrosen höll vinkeln mellan solcellerna och laserstrålen nästan konstant, maximera cellernas effektivitet när ljuset rörde sig. Systemet skulle fungera lika bra med vitt ljus som det gör med laserljus. Sådan trådlös, ljuskänslig, heliotropa (solföljande) system skulle potentiellt kunna förbättra ljus-till-energiomvandlingens effektivitet för solenergiindustrin. Teamets demonstrationer av materialet inkluderade också en fjäril vars vingar öppnades och stängdes som svar på ljus och en självvikbar låda.