Изследователите са разработили нов материал, използвайки малки органични кристали, които превръщат светлината в значителна механична сила, способна да повдигне 10 000 пъти собствената си маса. Без нужда от топлина или електричество, фотомеханичният материал може един ден да задвижва безжични системи с дистанционно управление, които захранват роботи и превозни средства.
Фотомеханичните материали са предназначени да трансформират светлината директно в механична сила. Те са резултат от сложно взаимодействие между фотохимията, полимерната химия, физиката, механиката, оптиката и инженерството. Фотомеханичните задвижващи механизми, частта от машината, която помага за постигането на физически движения, набират популярност, тъй като външен контрол може да бъде постигнат просто чрез манипулиране на светлинните условия.
Изследователи от Университета на Колорадо, Боулдър, направиха следващата стъпка в развитието на фотомеханичните материали, създавайки малък органичен кристален масив, който огъва и повдига обекти, много по-тежки от себе си.
„Изрязваме средния човек, така да се каже, и вземаме светлинна енергия и я превръщаме директно в механична деформация“, каза Райън Хейуърд, съответният автор на изследването.
Проблем с фотохимичните материали е използването на движения на молекулярно ниво за генериране на широкомащабен механичен отговор, който обикновено изисква реактивните молекули да бъдат организирани, така че всички да се движат в една и съща посока. Това обикновено се постига чрез използване на подреден материал-гостоприемник като течнокристален полимер или използване на подредено самосглобяване на молекули в кристал.
Изследователите искаха да избегнат проблемите, наблюдавани при предишни фотомеханични материали, използващи кристални твърди вещества, които променят формата си в отговор на фотохимична реакция: те често се напукваха, когато бяха изложени на светлина и беше предизвикателство да се преработят в полезни задвижващи механизми. И така, те използваха масиви от малки органични кристали, получени от диарилетин, като фотоактивен компонент, разположени в полимерен материал (полиетилен терефталат, PET) с пори с микронни размери.
Тъй като кристалите растат в порите, тяхната издръжливост и производство на енергия, когато са изложени на светлина, се подобряват значително. Освен това, ограничаването на фотомеханичните кристали в порите предотвратява разрушаването им при излагане на светлина. Композитният материал може да бъде огънат до 180° без счупване или жертване на фотомеханичния му отговор и претърпява обратимо огъване и разгъване при редуване между UV и видима светлина. И кристалите успяха да превърнат светлината в механична работа без топлина или електричество.
Изследователите преминаха към експерименти с вдигане на тежести, за да видят колко могат да повдигнат фотомеханичните кристали. Те откриха, че когато кристалите променят формата си с прикрепен товар, те действат като задвижващ механизъм и преместват товара. Кристалният масив от 0,02 mg успя да вдигне найлонова топка от 20 mg – това е 10 000 пъти собствената му маса.
„Вълнуващо е, че тези нови задвижващи механизми са много по-добри от тези, които имахме преди“, каза Хейуърд. „Те реагират бързо, издържат дълго време и могат да вдигат тежки неща.“
Изследователите казват, че гъвкавостта и лекотата на оформяне прави фотохимичния материал използваем в редица приложения, като замяна на електрически задвижващи механизми в роботи и превозни средства или захранване на дронове с лазерни лъчи вместо обемна батерия. Но изследователите трябва да свършат още малко работа.
Занапред те се стремят да постигнат по-голям контрол върху движението на материала, който в момента може да премине от плоско в извито състояние само чрез огъване и разгъване. Те също така се надяват да увеличат ефективността, като увеличат максимално количеството произведена механична енергия в сравнение с вложената светлинна енергия.
„Имаме още много да извървим, особено по отношение на ефективността, преди тези материали наистина да могат да се конкурират със съществуващите задвижващи механизми“, каза Хейуърд. „Но това проучване е важна стъпка в правилната посока и ни дава пътна карта за това как бихме могли да стигнем до там през следващите години.“
Изследването е публикувано в сп Природни материали.
източник: Университет на Колорадо Боулдър
Публикациите се превеждат автоматично с google translate
