“光子向日葵” - 仅由轻，新的智能材料扭曲，弯曲和移动

时间：2022-06-19 09:25:04 来源：

呈花形状的光子材料可以响应光而移动，紧密地跟踪最大曝光角度。

技术为智能太阳能电池提供智能太阳能电池，其他高效的设备在宏观和纳米规模上编程。

塔夫茨大学工程学院的研究人员创建了光激活的复合装置，能够执行精确，可见的运动，形成复杂的三维形状，而无需电线或其他致动材料或能源。该设计将可编程的光子晶体与弹性复合材料结合在宏观和纳米尺度上以响应照明而设计的弹性体复合材料。

该研究为开发智能光电驱动系统（如高效率，自对准太阳能电池）的开发提供了新的途径，可自动遵循太阳的方向和光，亮起的微流体阀门或柔软机器人随着需求而移动的柔软机器人。光子向日葵，其瓣卷曲朝向和远离照明并追踪光的路径和角度，展示了今天（3月12日，2021年）在自然通信中出现的纸张中的技术。

颜色来自光的吸收和反射。在每一个彩虹色蝴蝶翼或蛋白石宝石的闪光背后的复杂相互作用，其中嵌入机翼或石头中的自然光子晶体吸收特定频率的光并反射其他频率。光与结晶表面相遇的角度可以影响哪些波长被吸收和从吸收能量产生的热量的热量影响。

安装在光致动材料上的太阳能电池可以移动并跟踪没有电线，齿轮或电机的光源。

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。除了显着的灵活性，耐久性和光学性质外，丝素蛋白在具有负热膨胀系数（CTE）的负系数方面是不寻常的，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时，一层比另一层迅速加热得快得多，因此材料弯曲，随着一侧膨胀，另一侧弯曲或更慢地扩展。

“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。当光线移动和吸收变化的能量数量时，材料折叠并随着其相对位置的函数而不同地移动，“Fiorenzo Openetto，研究的相应作者和坦率C.工程师教授塔夫茨。

虽然大多数转换到运动的光学机械设备涉及复杂和能量密集的制造或设置，“我们能够实现精美控制光能转换，并在不需要任何电力或电线的情况下产生这些材料的”宏观运动“， “Openetto说。

研究人员通过施加模板，然后将它们暴露于水蒸气以产生特定图案来编程光子晶体膜。表面水的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，折叠和扭转，这取决于图案的几何形状，当暴露于激光时。

作者在他们的研究中展示了“光子向日葵”，其中双层膜中的集成太阳能电池，使得电池跟踪光源。光子向日葵保持太阳能电池和激光束之间的角度几乎恒定，随着光的移动，最大化细胞的效率。系统将与白色光一起工作，并使用激光。这种无线响应，光晕（SUN跟随）系统可能会提高太阳能电力行业的光能转换效率。该团队的材料的演示还包括一只蝴蝶，其翅膀响应光线和自折叠盒而打开和关闭。

参考：“光激活形状的形状变形和光跟踪材料采用生物聚合物的可编程光子纳米结构”由俞王，萌李，姜昌，丹尼尔·艾尔丽琴，文义李，牛湾·霍恩金，剑桓金，马可·莱斯蒂尼，约翰。罗杰斯和Fiorenzo G. Openetto，2021年3月12日，Nature Communications.doi：
10.1038 / S41467-021-21764-6

资金：海军研究办公室

该研究延长了Openetto和Tufts工程学院的同事们延长了研究，以丝绸作为光子，电子和纳米技术的先进材料平台。

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