Мир

Исследователи разработали новый материал, используя крошечные органические кристаллы, которые преобразуют свет в существенную механическую силу, способную поднять массу, в 1000 раз превышающую ее собственную. Фотомеханический материал, не нуждающийся в тепле или электричестве, однажды сможет управлять беспроводными системами с дистанционным управлением, приводящими в движение роботов и транспортные средства.

Фотомеханические материалы предназначены для преобразования света непосредственно в механическую силу. Они являются результатом сложного взаимодействия фотохимии, химии полимеров, физики, механики, оптики и техники. Фотомеханические приводы, часть машины, которая помогает осуществлять физические движения, набирают популярность, поскольку внешнего управления можно добиться, просто манипулируя условиями освещенности.

Исследователи из Университета Колорадо в Боулдере сделали следующий шаг в разработке фотомеханических материалов, создав крошечную решетку органических кристаллов, которая сгибает и поднимает объекты, намного тяжелее себя.

«Мы, так сказать, вырезаем посредника, берем энергию света 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 крупномасштабной механической реакции, которая обычно требует, чтобы реактивные молекулы были организованы так, чтобы все они двигались в одном направлении. Обычно этого достигают путем использования упорядоченного материала-хозяина, такого как жидкокристаллический полимер, или использования упорядоченной самосборки молекул в кристалл.

Исследователи хотели избежать проблем, наблюдавшихся в предыдущих фотомеханических материалах, использующих кристаллические твердые тела, которые меняют форму в ответ на фотохимическую реакцию: они часто трескались под воздействием света, и их было сложно переработать в полезные исполнительные механизмы. Поэтому они использовали массивы крошечных органических кристаллов, полученных из диарилэтена, в качестве фотоактивного компонента, помещенных в полимерный материал (полиэтилентерефталат, ПЭТ) с порами микронного размера.

Поскольку кристаллы росли внутри пор, их долговечность и выработка энергии под воздействием света значительно увеличивались. Более того, удержание фотомеханических кристаллов внутри пор предотвратило их разрушение под воздействием света. Композитный материал можно было согнуть на 180°, не нарушая и не жертвуя его фотомеханической реакцией, а также он подвергался обратимому изгибу и разгибанию при чередовании ультрафиолетового и видимого света. И кристаллы смогли преобразовывать свет в механическую работу без тепла и электричества.

Исследователи перешли к экспериментам с поднятием тяжестей, чтобы увидеть, сколько смогут поднять фотомеханические кристаллы. Они обнаружили, что когда кристаллы меняли форму под действием груза, они действовали как привод и перемещали груз. Кристаллическая матрица массой 0,02 мг смогла поднять нейлоновый шарик массой 20 мг – это в 1000 раз превышает ее собственную массу.

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

Исследователи говорят, что гибкость и простота формования позволяют использовать фотохимический материал в ряде применений, таких как замена электропроводных приводов в роботах и ​​транспортных средствах или питание дронов лазерными лучами вместо громоздкой батареи. Но сначала исследователям предстоит проделать еще кое-какую работу.

В дальнейшем 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 предстоит пройти путь, особенно с точки зрения эффективности, прежде чем эти материалы смогут действительно конкурировать с существующими приводами», — сказал Хейворд. «Но это исследование является важным шагом в правильном направлении и дает нам план того, как мы сможем достичь этого в ближайшие годы».

Исследование было опубликовано в журнале Nature Materials.