Onderzoekers van de Tufts University School of Engineering hebben door licht geactiveerde composietapparaten gemaakt die nauwkeurige, zichtbare bewegingen en vormen complexe driedimensionale vormen zonder dat er draden of andere aandrijfmaterialen of energiebronnen nodig zijn. Het ontwerp combineert programmeerbare fotonische kristallen met een elastomeer composiet dat op macro- en nanoschaal kan worden ontworpen om te reageren op verlichting.

Het onderzoek biedt nieuwe mogelijkheden voor de ontwikkeling van slimme lichtgestuurde systemen zoals hoogrenderende, zelfrichtende zonnecellen die automatisch de richting en lichthoek van de zon volgen, lichtgestuurde microfluïdische kleppen of zachte robots die op verzoek met licht bewegen. Een "fotonische zonnebloem, " waarvan de bloembladen naar en weg van verlichting krullen en die het pad en de hoek van het licht volgen, demonstreert de technologie in een paper dat op 12 maart verschijnt, 2021 in Natuurcommunicatie .

Kleur ontstaat door de absorptie en reflectie van licht. Achter elke flits van een iriserende vlindervleugel of opaal edelsteen liggen complexe interacties waarin natuurlijke fotonische kristallen ingebed in de vleugel of steen licht van specifieke frequenties absorberen en andere weerkaatsen. De hoek waaronder het licht het kristallijne oppervlak raakt, kan van invloed zijn op welke golflengten worden geabsorbeerd en de warmte die wordt gegenereerd door die geabsorbeerde energie.

Het door het Tufts-team ontworpen fotonische materiaal verbindt twee lagen:een opaalachtige film gemaakt van zijdefibroïne gedoteerd met gouden nanodeeltjes (AuNP's), het vormen van fotonische kristallen, en een onderliggend substraat van polydimethylsiloxaan (PDMS), een polymeer op basis van silicium. Naast een opmerkelijke flexibiliteit, duurzaamheid, en optische eigenschappen, zijdefibroïne is ongebruikelijk omdat het een negatieve thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) heeft, wat betekent dat het samentrekt bij verhitting en uitzet bij afkoeling. PDMS, in tegenstelling tot, heeft een hoge CTE en zet snel uit bij verhitting. Als resultaat, wanneer het nieuwe materiaal wordt blootgesteld aan licht, de ene laag warmt veel sneller op dan de andere, dus het materiaal buigt als de ene kant uitzet en de andere samentrekt of langzamer uitzet.

“Met onze aanpak we kunnen deze opaalachtige films op meerdere schalen van een patroon voorzien om de manier te ontwerpen waarop ze licht absorberen en reflecteren. Als het licht beweegt en de hoeveelheid energie die wordt geabsorbeerd verandert, het materiaal vouwt en beweegt anders als functie van zijn relatieve positie ten opzichte van dat licht, " zei Fiorenzo Omenetto, corresponderende auteur van de studie en de Frank C. Doble Professor of Engineering aan Tufts.

Terwijl de meeste optomechanische apparaten die licht in beweging omzetten, complexe en energie-intensieve fabricage of opstellingen met zich meebrengen, "We zijn in staat om uitstekende controle over de conversie van licht-energie te bereiken en 'macrobeweging' van deze materialen te genereren zonder dat er elektriciteit of draden nodig zijn, ' zei Omenetto.

De onderzoekers programmeerden de fotonische kristalfilms door stencils aan te brengen en ze vervolgens bloot te stellen aan waterdamp om specifieke patronen te genereren. Het patroon van oppervlaktewater veranderde de golflengte van geabsorbeerd en gereflecteerd licht van de film, waardoor het materiaal buigt, vouwen en draaien op verschillende manieren, afhankelijk van de geometrie van het patroon, bij blootstelling aan laserlicht.

De auteurs toonden in hun studie een "fotonische zonnebloem, " met geïntegreerde zonnecellen in de dubbellaagse film zodat de cellen de lichtbron volgden. De fotonische zonnebloem hield de hoek tussen de zonnecellen en de laserstraal bijna constant, het maximaliseren van de efficiëntie van de cellen terwijl het licht bewoog. Het systeem zou net zo goed werken met wit licht als met laserlicht. dergelijke draadloze, lichtgevoelig, heliotrope (zonvolgende) systemen kunnen mogelijk de efficiëntie van de licht-naar-energieconversie voor de zonne-energiesector verbeteren. De demonstraties van het materiaal door het team omvatten ook een vlinder waarvan de vleugels open en dicht gingen als reactie op licht en een zelfvouwende doos.