Уявіть собі людину на землі, яка керує безпілотником у повітрі, який використовує енергію від лазерного променя, усуваючи потребу носити громіздкий бортовий акумулятор. Це бачення групи вчених Університету Колорадо в Боулдері з дослідницької групи Хейворда.
У новому дослідженні дослідники Департаменту хімічної та біологічної інженерії розробили новий і еластичний фотомеханічний матеріал, який може перетворювати світлову енергію в механічну роботу без тепла чи електрики, пропонуючи інноваційні можливості для енергоефективних, бездротових і дистанційно керованих систем. Його широкий потенціал охоплює різноманітні галузі, включаючи робототехніку, аерокосмічну та біомедичну техніку.
«Ми, так би мовити, вирізаємо проміжну людину, беремо енергію світла й перетворюємо її безпосередньо на механічну деформацію», — сказав професор Райан Гейворд.
Гейворд і його команда описують новий матеріал у звіті, опублікованому 27 липня в Nature Materials.
Матеріал складається з крихітних органічних кристалів, які під дією світла починають згинатися та підіймати речі. Дослідження показують, що ці фотомеханічні матеріали пропонують багатообіцяючу альтернативу приводам з електричним проводом, з потенціалом для бездротового керування або живлення роботів або транспортних засобів. Крім того, підвищення ефективності прямого перетворення світла на роботу дає можливість уникнути громіздких систем керування температурою, а також важких електричних компонентів.
Дослідження контрастує з попередніми спробами, пов’язаними з делікатними кристалічними твердими речовинами, які змінювали форму через фотохімічну реакцію, але часто тріскалися під впливом світла, і їх було важко переробити в корисні приводи.
«Що цікаво, це те, що ці нові приводи набагато кращі, ніж ті, які ми мали раніше. Вони швидко реагують, служать довго і можуть підіймати важкі речі».
Інноваційний підхід лабораторії Hayward’s Lab передбачає використання масивів крихітних органічних кристалів усередині полімерного матеріалу, який нагадує губку завдяки своїм крихітним отворам. Коли кристали ростуть у порах полімеру мікронного розміру, їх довговічність і виробництво енергії під впливом світла значно підвищуються. Їх гнучкість і легкість формування роблять їх дуже універсальними для широкого спектра застосувань.
Орієнтація кристалів дозволяє їм виконувати завдання під дією світла, наприклад згинати або підіймати предмети. Коли матеріал змінює форму з прикріпленим вантажем, він працює як двигун або привід і переміщує вантаж. Кристали можуть рухати об’єкти, набагато більші за них самих. Наприклад, як видно на зображенні вище, смужка кристалів .02 мг успішно підіймає нейлонову кульку вагою 20 мг, піднімаючи масу, що в 10 000 разів перевищує власну масу.
Дослідники CU Boulder також включають провідного автора Венвен Сю, колишнього докторанта в групі Хейворда (тепер у Сичуаньському університеті-Піттсбурзькому інституті) та Хантао Чжоу (тепер у Western Digital), одного з аспірантів Хейворда. У роботі також брали участь співробітники з Університет Каліфорнії Ріверсайд і Стенфордський університет.
Заглядаючи вперед, команда прагне покращити контроль над рухом матеріалу. В даний час матеріал може переходити від плоского до вигнутого стану лише шляхом згинання та розгинання. Їх метою також є підвищення ефективності, максимізація кількості виробленої механічної енергії в порівнянні з надходженням енергії світла.
«У нас ще є багато чого, особливо з точки зору ефективності, перш ніж ці матеріали справді зможуть конкурувати з існуючими приводами», — говорить Хейворд. «Але це дослідження є важливим кроком у правильному напрямку та дає нам дорожню карту того, як ми можемо досягти цього в найближчі роки». Джерело