Массив нанокристаллов поднимает груз в 1000 раз тяжелее собственного веса

Исследователи разработали новый материал, используя крошечные органические кристаллы, которые преобразуют свет в существенную механическую силу, способную поднять в 1000 раз больше собственного веса.

Фотомеханический материал, не нуждающийся в тепле или электричестве, однажды сможет управлять беспроводными системами с дистанционным управлением, которые питают роботов и транспортные средства.

Фотомеханические материалы предназначены для прямого преобразования света в механическую силу. Они являются результатом сложного взаимодействия между фотохимией, химией полимеров, физикой, механикой, оптикой и инженерией. Фотомеханические приводы, часть машины, которая помогает выполнять физические движения, набирают популярность, потому что внешний контроль может быть достигнут простым изменением условий освещения.

Исследователи из Колорадского университета в Боулдере сделали следующий шаг в разработке фотомеханических материалов, создав крошечный массив органических кристаллов, который сгибает и поднимает объекты, намного тяжелее, чем они сами.

«Мы, так сказать, вырезаем посредника, берем световую энергию и превращаем ее непосредственно в механическую деформацию», — сказал Райан Хейворд, автор исследования.

Проблема с фотохимическими материалами заключается в использовании движений на молекулярном уровне для создания крупномасштабного механического отклика, который обычно требует организации реактивных молекул, чтобы все они двигались в одном направлении. Обычно это достигается за счет использования упорядоченного исходного материала, такого как жидкокристаллический полимер, или за счет упорядоченной самосборки молекул в кристалл.

Исследователи хотели избежать проблем, наблюдаемых с предыдущими фотомеханическими материалами, используя кристаллические твердые вещества, которые меняют форму в ответ на фотохимическую реакцию: они часто трескались под воздействием света и их было сложно перерабатывать в полезные приводы.

Таким образом, они использовали массивы крошечных органических кристаллов, полученных из диарилэтена, в качестве фотоактивного компонента, заключенного в полимерный материал (полиэтилентерефталат, ПЭТ) с порами микронного размера.

По мере того как кристаллы росли внутри пор, их долговечность и выработка энергии при воздействии света значительно увеличивались. Более того, ограничение фотомеханических кристаллов внутри пор предотвратило их разрушение при воздействии света.

Композитный материал можно было согнуть на 180°, не нарушая и не жертвуя его фотомеханической реакцией, и подвергался обратимому изгибу и разгибанию при чередовании УФ и видимого света. А кристаллы были способны преобразовывать свет в механическую работу без тепла и электричества.

Исследователи перешли к экспериментам с поднятием тяжестей, чтобы увидеть, сколько могут поднять фотомеханические кристаллы. Они обнаружили, что когда кристаллы меняли форму с прикрепленной нагрузкой, они действовали как исполнительный механизм и перемещали нагрузку.

Массив кристаллов весом 0,02 мг смог поднять нейлоновый шарик весом 20 мг, что в 1000 раз превышает его собственную массу.

«Что интересно, так это то, что эти новые приводы намного лучше, чем те, что были у нас раньше», — сказал Райан Хейворд. «Они быстро реагируют, служат долго и могут поднимать тяжелые предметы».

Исследователи говорят, что гибкость и простота формовки делают фотохимический материал пригодным для использования в ряде приложений, таких как замена электрических приводов в роботах и ​​транспортных средствах или питание дронов с помощью лазерных лучей вместо громоздкой батареи. Но у исследователей есть еще кое-что, что нужно сделать в первую очередь.

Двигаясь вперед, они стремятся добиться большего контроля над движением материала, который в настоящее время может переходить из плоского состояния в изогнутое только путем сгибания и разгибания. Они также надеются повысить эффективность, максимизируя количество производимой механической энергии по сравнению с потребляемой световой энергией.

«Нам еще многое предстоит сделать, особенно с точки зрения эффективности, прежде чем эти материалы действительно смогут конкурировать с существующими приводами», — сказал Райан Хейворд. «Но это исследование является важным шагом в правильном направлении и дает нам дорожную карту того, как мы можем достичь этого в ближайшие годы».

Исследование было опубликовано в журнале Nature Materials.