Nanokryštály reagujúce na svetlo zdvihnú 1 000-násobok svojej váhy

Fotomechanické materiály sú určené na priamu premenu svetla na mechanickú silu. Sú výsledkom zložitej súhry fotochémie, polymérnej chémie, fyziky, mechaniky, optiky a inžinierstva. Fotomechanické aktuátory, časti stroja, ktoré pomáhajú dosahovať fyzické pohyby, získavajú na popularite, pretože vonkajšie ovládanie možno dosiahnuť jednoduchou manipuláciou so svetelnými podmienkami.

Výskumníci z Coloradskej univerzity v Boulderi urobili ďalší krok vo vývoji fotomechanických materiálov a vytvorili malú sústavu organických kryštálov, ktorá ohýba a dvíha predmety oveľa ťažšie ako je ona sama.

„Odstránili sme takpovediac prostredníka a zobrali sme svetelnú energiu a premenili ju priamo na mechanickú deformáciu,“ povedal Ryan Hayward, zodpovedajúci autor štúdie.

Problémom fotochemických materiálov je využitie pohybov na molekulárnej úrovni na generovanie rozsiahlej mechanickej odozvy. To zvyčajne vyžaduje, aby boli reaktívne molekuly usporiadané tak, aby sa všetky tlačili rovnakým smerom. To sa bežne dosahuje použitím usporiadaného hostiteľského materiálu, ako je polymér tekutých kryštálov, alebo použitím nariadeného samousporiadania molekúl do kryštálu.

Výskumníci sa chceli vyhnúť problémom, ktoré sa vyskytli pri predchádzajúcich fotomechanických materiáloch využívajúcich kryštalické pevné látky, ktoré menia tvar v reakcii na fotochemickú reakciu. Tie často praskali pri vystavení svetlu a bolo náročné ich spracovať na užitočné aktuátory. Ako fotoaktívnu zložku preto použili sústavy drobných organických kryštálov odvodených od diarylénu, ktoré sú umiestnené v polymérnom materiáli (polyetyléntereftalát, PET) s pórmi veľkosti mikrónov.

Keďže kryštály rástli v póroch, ich trvanlivosť a produkcia energie sa pri vystavení svetlu výrazne zvýšili. Okrem toho obmedzenie fotomechanických kryštálov v póroch zabránilo ich rozbitiu pri vystavení svetlu. Kompozitný materiál sa dal ohýbať až do uhla 180° bez toho, aby sa zlomil alebo stratil svoju fotomechanickú odozvu, a pri striedaní UV a viditeľného svetla podliehal reverzibilnému ohýbaniu a rozohýbaniu. Nanokryštály pritom dokázali premieňať svetlo na mechanickú prácu bez tepla alebo elektriny.

Vedci prešli k experimentom so zdvíhaním závažia, aby zistili, koľko dokážu fotomechanické kryštály zdvihnúť. Zistili, že keď kryštály zmenili tvar s pripojeným bremenom, fungovali ako aktuátor a bremeno posunuli. Sústava kryštálov s hmotnosťou 0,02 mg dokázala zdvihnúť 20-gramovú nylonovú guľôčku. To je 1 000-násobok jej vlastnej hmotnosti.

„Vzrušujúce je, že tieto nové aktuátory sú oveľa lepšie ako tie, ktoré sme mali predtým,“ povedal Hayward. „Reagujú rýchlo, dlho vydržia a dokážu zdvihnúť ťažké veci“.

Výskumníci tvrdia, že vďaka flexibilite a jednoduchému tvarovaniu je fotochemický materiál použiteľný v mnohých aplikáciách. Napríklad ako náhrada elektricky pripojených aktuátorov v robotoch a vozidlách alebo ako napájanie dronov laserovými lúčmi namiesto objemnej batérie. Výskumníkov však čaká ešte ďalšia práca.

Do budúcnosti chcú dosiahnuť väčšiu kontrolu nad pohybom materiálu, ktorý v súčasnosti môže prejsť z plochého do zakriveného stavu len ohýbaním a rozohýbaním. Dúfajú tiež, že sa im podarí zvýšiť účinnosť a maximalizovať množstvo vyrobenej mechanickej energie v porovnaní so vstupom svetelnej energie.

„Ešte stále máme pred sebou dlhú cestu, najmä pokiaľ ide o účinnosť, kým tieto materiály budú môcť skutočne konkurovať existujúcim aktuátorom,“ povedal Hayward. „Táto štúdia je však dôležitým krokom správnym smerom a poskytuje nám plán, ako by sme sa k tomu mohli dostať v nasledujúcich rokoch“.

Štúdia bola nedávno uverejnená v magazíne Nature Materials.