呈虹膜蝴蝶翅膀由常规纳米级格子制成,称为光子晶体。光线符合机翼的“晶体”结构的角度可以影响哪个波长被吸收 - 因此,蝴蝶的许多美丽的颜色。

从昆虫中吸引灵感,塔夫茨大学工程学院的研究人员已经创建了亮激活的复合装置,该装置执行精确,可见的运动,形成复杂的三维形状,而无需线或其他致动材料或能源。

什么样的3D设计是可能的?

塔夫茨团队创造了一个“光子向日葵”。花的瓣卷曲朝向和远离照明,跟踪光的路径和角度。

研究人员的材料的演示还包括一个自折叠盒,作为蝴蝶,其翅膀响应光而打开和关闭。

将可编程光子晶体与弹性复合材料相结合的纳米工程设计能够开发新型的光驱动系统,例如自对准太阳能电池,致电的微流体阀,以及用光移动的软机器人要求。

这项研究显示了3月12日TH.,2021年版自然通信

由塔夫茨团队设计的光子材料加入两层:由丝素蛋白掺杂有金纳米粒子(AUNP),形成光子晶体和聚二甲基硅氧烷(PDMS)的下面基板制成的蛋白石状薄膜,硅基聚合物。

柔性耐用的丝素素具有负热膨胀系数(CTE),这意味着它在加热时收缩并在冷却时膨胀。

相比之下,PDMS具有高CTE并在加热时快速扩展。

结果,当新颖的材料暴露于光线时,一层比另一层迅速加快得多。材料弯曲为一侧膨胀和其他合同。

“通过我们的方法,我们可以在多个尺度上造型这些蛋白石状薄膜,以设计它们吸收和反射光的方式。当光伏移动和吸收变化的能量的量时,材料折叠并随着其相对位置的函数而移动,“Fiorenzo Openetto说,塔夫茨工程教授。

Openetto和Tufts研究人员使用模板 - 并将那些模板暴露在水蒸气 - 以编程光子晶体膜并产生特定的图案,如制造向日葵所需的图案。表面水图案改变了来自膜的吸收和反射光的波长,从而使材料以不同的方式弯曲,这取决于图案的几何形状,当暴露于激光时。

“光子向日葵”特征在双层膜中的集成太阳能电池,使得电池跟踪光源。当光移动时,该装置在太阳能电池和激光束之间保持相同的角度,最大化细胞的效率。

在下面的短暂的Q&A中,Openetto解释了为什么这种无线,光响应装置可以提高太阳能行业的效率,并开辟各种其他有价值的应用。

金宝搏官网您使用哪些标准来选择模式?您是否选择具有特定应用程序的特定操作的模式?你为什么选择像向日葵和一只蝴蝶这样的生物模式?

Fiorenzo Omenetto教授:除了选择特定设计外,我们没有在选择模式中选择任何具体指导方针,这些设计将举例说明可能的机械变形的范围。向日葵和蝴蝶的选择是由天然灵感驱动的:向日葵的能力重新定位和遵循太阳,蝴蝶作为本质上的结构颜色的签名示例之一,都在我们制造的材料中覆盖。

金宝搏官网这些模式如何具体?这款模板是否完全是这样做的,使得像向日葵一样的特定形状,并且该模板如何启用特定模式?

Fiorenzo Omenetto教授:模式可以像一个人想要的那样具体。模板用作掩模,以使材料的不同部分暴露于湿度(或对UV光),并相应地调谐暴露部分的吸收/反射率。一旦设定了图案,材料内的光再分配就会剩下。

金宝搏官网:机械响应的力是入射光的能量的功能吗?

Fiorenzo Omenetto教授:严格来说,致动速度取决于加热的动态(快速加热,更快的系统反应)。

金宝搏官网:以前使用的是将光能转化为运动的东西?

Fiorenzo Omenetto教授:一般来说,几乎所有的光机系统都分为两类工作机制:光热和光化学,是它们水凝胶,双层或液晶弹性体。还在液晶弹性体中有几次报告可重新配置的条带。然而,目前的策略和概念对于此目的主要是优化材料的分子结构和组装。

金宝搏官网除太阳能电池外,您是否以这种设计设想了哪种应用?

Fiorenzo Omenetto教授:我们认为这取决于任何人的想象力,从更换形状的灯泡遮挡,通过闪光灯可以打开和关闭的阀门,以形成可用于软机器人的转移材料。

金宝搏官网:为什么这一成就是一个重要的?

Fiorenzo Omenetto教授:我们利用自组装光子晶体的内在特性 - 光子带隙 - 以控制材料内的光传播路径,从而实现光能转换,实现方向依赖于方向的致动(材料响应的角度依赖性从光学响应的​​角度依赖性,复杂的形状变形,光学和可配置的致动,该致动是在单个材料中获得的具有挑战性的。

我们展示了如何通过操纵纳米级的光子响应来实现宏观上的复杂变形。

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