彩虹蝴蝶的翅膀是由被称为光子晶体的规则纳米级晶格构成的。光线与翅膀的“水晶”结构相遇的角度会影响被吸收的波长——因此,蝴蝶有许多美丽的颜色。

从昆虫身上获得灵感,塔夫茨大学工程学院的研究人员已经创造了光激活复合设备,执行精确的,可见的运动和形成复杂的三维形状,而不需要电线或其他驱动材料或能源。

究竟什么类型的3D设计是可能的?

塔夫茨大学的研究小组创造了一种“光子向日葵”。根据光线的路径和角度,花朵的花瓣卷曲着朝向或远离光照。

研究人员对这种材料的演示还包括一个自我折叠的盒子,就像一只蝴蝶,它的翅膀会在光线的作用下展开和闭合。

这种纳米工程设计结合了可编程光子晶体和弹性复合材料,使新型光驱动系统的开发成为可能,例如自对准太阳能电池、光驱动微流控阀和根据需要随光移动的软机器人。

这项研究发表于3月12日th, 2021年版自然通讯

塔夫茨研究小组设计的这种光子材料结合了两层:一层是由掺杂金纳米粒子(AuNPs)的丝素制成的类似蛋白石的薄膜,形成光子晶体;另一层是聚二甲基硅氧烷(PDMS),一种硅基聚合物。

柔韧耐用的丝素具有负的热膨胀系数(CTE),这意味着它遇热收缩,遇冷膨胀。

相比之下,PDMS具有很高的CTE,加热后膨胀迅速。

因此,当新材料暴露在光下时,一层比另一层加热得快得多。这种材料一边膨胀,另一边收缩时弯曲。

“通过我们的方法,我们可以在多个尺度上设计这些蛋白石般的薄膜,以设计它们吸收和反射光线的方式。当光移动时,被吸收的能量量发生变化,材料就会根据其相对位置和光的不同而折叠和移动。”

Omenetto和塔夫茨大学的研究人员使用了模板——并将这些模板暴露在水蒸气中——来编程光子晶体薄膜并产生特定的图案,就像制作向日葵所需的图案一样。地表水的图案改变了从薄膜吸收和反射的光的波长,因此使材料在激光照射下以不同的方式弯曲,这取决于图案的几何形状。

“光子向日葵”的特点是在双层薄膜中集成太阳能电池,这样电池就可以跟踪光源。该装置在太阳能电池和激光束之间保持相同的角度,在光线移动时最大限度地提高电池的效率。

在下面的简短问答中,Omenetto解释了为什么这种无线、光响应设备可以提高太阳能行业的效率,并开辟了其他各种有价值的应用。

技术简介:您选择模式的标准是什么?您是否为具有特定应用程序的特定操作选择了模式?你为什么选择像向日葵和蝴蝶这样的生物图案?

教授(托我们在图案的选择上并没有任何具体的指导方针,只是挑选了一些能体现可实现的机械变形范围的特殊设计。向日葵和蝴蝶的选择是由自然灵感驱动的:向日葵因为它有能力调整方向并跟随太阳,蝴蝶是自然界中发现的结构颜色的标志性例子之一,两者都在我们制造的材料中重现。

技术简介:这些模式有多具体?这个模板到底是什么使特定的形状像向日葵,以及该模板如何使特定的模式?

教授(托模式可以像你想要的那样具体。模板可作为掩膜,将材料的不同部分暴露在湿度下(或紫外线下),并相应地调整暴露部分的吸收/反射率。一旦图案设置好,光线在材料内部的重新分配就完成了剩下的工作。

技术简介:机械响应的力是入射光能量的函数吗?

教授(托:严格来说,驱动的速度取决于加热的动态(快速加热,更快的系统响应)。

技术简介:什么曾经被用来将光能转化为运动?

教授(托一般来说,几乎所有的光机械系统都分为两类工作机制:光热和光化学,无论是水凝胶,双层,或液晶弹性体。此外,可重构条在几个场合,特别是在液晶弹性体中也有报道。然而,目前的策略和概念主要是优化分子结构和材料的组装。

技术简介:除了太阳能电池,你认为这种设计还能带来什么应用?

教授(托我们认为这取决于每个人的想象力,从可改变形状的灯罩,到照射在其上可打开或关闭的阀门,再到可改变材料的形状,这些材料可用于软机器人。

技术简介为什么这个成就很重要?

教授(托:研究了自组装光子晶体的固有特性——光子带隙控制光在材料内部的传播路径,从而实现光能转换,实现方向依赖驱动(材料响应的角度依赖来自于光响应的角度依赖),复杂的形状变形,向光性,以及在单一材料中难以获得的可配置驱动。

我们演示了如何通过操纵纳米尺度上的光子响应来实现宏观尺度上的复杂变形。

你觉得呢?请在下方分享你的问题和评论。