I ricercatori della Tufts University School of Engineering hanno creato dispositivi compositi attivati ​​dalla luce in grado di eseguire precisi, movimenti visibili e formano complesse forme tridimensionali senza bisogno di fili o altri materiali di azionamento o fonti di energia. Il design combina cristalli fotonici programmabili con un composito elastomerico che può essere progettato su scala macro e nano per rispondere all'illuminazione.

La ricerca fornisce nuove strade per lo sviluppo di sistemi intelligenti guidati dalla luce come ad alta efficienza, celle solari autoallineanti che seguono automaticamente la direzione del sole e l'angolo di luce, valvole microfluidiche azionate dalla luce o robot morbidi che si muovono con la luce su richiesta. Un "girasole fotonico, " i cui petali si arricciano verso e lontano dall'illuminazione e che segue il percorso e l'angolo della luce, dimostra la tecnologia in un documento che appare il 12 marzo, 2021 in Comunicazioni sulla natura .

Il colore risulta dall'assorbimento e dalla riflessione della luce. Dietro ogni lampo di un'ala di farfalla iridescente o di una gemma opale si celano interazioni complesse in cui i cristalli fotonici naturali incorporati nell'ala o nella pietra assorbono la luce di frequenze specifiche e ne riflettono altre. L'angolo con cui la luce incontra la superficie cristallina può influenzare le lunghezze d'onda assorbite e il calore generato da quell'energia assorbita.

Il materiale fotonico progettato dal team di Tufts unisce due strati:un film simile a un opale fatto di fibroina di seta drogata con nanoparticelle d'oro (AuNPs), formazione di cristalli fotonici, e un substrato sottostante di polidimetilsilossano (PDMS), un polimero a base di silicio. Oltre alla notevole flessibilità, durata, e proprietà ottiche, la fibroina della seta è insolita nell'avere un coefficiente di espansione termica (CTE) negativo, il che significa che si contrae quando riscaldato e si espande quando viene raffreddato. PDMS, in contrasto, ha un CTE elevato e si espande rapidamente quando riscaldato. Di conseguenza, quando il nuovo materiale è esposto alla luce, uno strato si riscalda molto più rapidamente dell'altro, quindi il materiale si piega man mano che un lato si espande e l'altro si contrae o si espande più lentamente.

"Con il nostro approccio, possiamo modellare queste pellicole opali su più scale per progettare il modo in cui assorbono e riflettono la luce. Quando la luce si muove e la quantità di energia assorbita cambia, il materiale si piega e si muove diversamente in funzione della sua posizione relativa a quella luce, " disse Fiorenzo Omenetto, autore corrispondente dello studio e Frank C. Doble Professor of Engineering presso Tufts.

Considerando che la maggior parte dei dispositivi optomeccanici che convertono la luce in movimento comportano una fabbricazione o configurazioni complesse e ad alta intensità energetica, "Siamo in grado di ottenere un controllo squisito della conversione dell'energia luminosa e generare 'macro movimento' di questi materiali senza la necessità di elettricità o cavi, " disse Omenetto.

I ricercatori hanno programmato le pellicole di cristalli fotonici applicando stencil e quindi esponendole al vapore acqueo per generare modelli specifici. Il modello dell'acqua superficiale ha alterato la lunghezza d'onda della luce assorbita e riflessa dal film, facendo così piegare il materiale, piegare e torcere in modi diversi, a seconda della geometria del modello, quando esposto alla luce laser.

Gli autori hanno dimostrato nel loro studio un "girasole fotonico, " con celle solari integrate nel film a doppio strato in modo che le celle seguissero la sorgente luminosa. Il girasole fotonico manteneva l'angolo tra le celle solari e il raggio laser quasi costante, massimizzando l'efficienza delle cellule quando la luce si muove. Il sistema funzionerebbe bene sia con la luce bianca che con la luce laser. Tale senza fili, sensibile alla luce, I sistemi eliotropici (che seguono il sole) potrebbero potenzialmente migliorare l'efficienza di conversione da luce a energia per l'industria dell'energia solare. Le dimostrazioni del materiale da parte del team includevano anche una farfalla le cui ali si aprivano e si chiudevano in risposta alla luce e una scatola pieghevole.