Se guardi abbastanza a lungo le foglie di una pianta, potresti vederli spostarsi e girare verso la luce del sole durante il giorno. Succede lentamente, ma sicuramente.

Alcuni materiali artificiali possono imitare questa reazione lenta ma costante all'energia luminosa, solitamente innescato da laser o luce ambientale focalizzata. Una nuova ricerca dell'Università di Pittsburgh e della Carnegie Mellon University ha scoperto un modo per accelerare questo effetto abbastanza da permettere alle sue prestazioni di competere con i sistemi elettrici e pneumatici.

"Volevamo creare macchine in cui la luce fosse l'unica fonte di energia e direzione, " ha spiegato il signor Ravi Shankar, professore di ingegneria industriale e autore senior del documento. "La sfida è che mentre potremmo ottenere un po' di movimento e attuazione con polimeri guidati dalla luce, era una risposta troppo lenta per essere pratica."

Quando il foglio polimerico è piatto, la luce lo anima lentamente, curvarsi o arricciarsi nel tempo. I ricercatori hanno scoperto che formando il polimero in una forma curva, come una conchiglia, l'azione di piegatura è avvenuta molto più rapidamente e ha generato più coppia.

"Se vuoi spostare qualcosa, come premere un interruttore o spostare una leva, hai bisogno di qualcosa che reagisca rapidamente e con abbastanza potenza, " disse Shankar, che ha un incarico secondario in ingegneria meccanica e scienza dei materiali. "Abbiamo scoperto che applicando un vincolo meccanico al materiale confinandolo lungo i bordi, e incorporando arrangiamenti ponderati di molecole, possiamo convertire una risposta lenta in qualcosa di più impulsivo".

I ricercatori hanno utilizzato un film di polimeri cristallini liquidi (ALCP) fotoresponsivo funzionalizzato con azobenzene con uno spessore di 50 micrometri e diversi millimetri di larghezza e lunghezza. È stata creata una geometria simile a una conchiglia confinando questo materiale lungo i bordi per creare una curva. La luce splendente su questa geometria piega il guscio in una piega che si nuclea spontaneamente. Questa piegatura avviene entro decine di millisecondi e genera densità di coppia fino a 10 Nm per chilogrammo (10 Nm/kg). La risposta guidata dalla luce è ingrandita di circa tre ordini di grandezza rispetto al materiale che era piatto.

"I risultati del progetto sono molto entusiasmanti perché significa che possiamo creare attuatori alimentati a luce che sono competitivi con attuatori elettrici, " disse Kaushik Dayal, coautore e docente di ingegneria civile e ambientale alla CMU.

"Il nostro approccio verso l'aumento delle prestazioni dei polimeri guidati dalla luce potrebbe reinventare il design di robot morbidi completamente svincolati con numerose applicazioni tecnologiche, " ha aggiunto l'autore principale e ricercatore post-dottorato presso CMU Mahnoush Babaei.