Wissenschaftler entwickeln neue Materialien, die sich als Reaktion auf Licht bewegen

Anonim

Forscher der Tufts University School of Engineering haben magnetische elastomere Verbundwerkstoffe entwickelt, die sich bei Lichteinfall auf unterschiedliche Weise bewegen. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass diese Materialien eine breite Palette von Produkten ermöglichen, die einfache bis komplexe Bewegungen von winzigen Motoren und Ventilen bis hin zu Solaranordnungen ermöglichen diese beugen sich dem Sonnenlicht zu. Die Forschung wird in einem Artikel beschrieben, der heute in den Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften veröffentlicht wird .

In der Biologie gibt es viele Beispiele, in denen Licht Bewegung oder Veränderung induziert - denken Sie an Blumen und Blätter, die sich dem Sonnenlicht zuwenden. Die lichtgesteuerten Materialien, die in dieser Studie erzeugt wurden, basieren auf dem Prinzip der Curie-Temperatur - der Temperatur, oberhalb derer bestimmte Materialien ihre magnetischen Eigenschaften ändern. Durch Erhitzen und Abkühlen eines magnetischen Materials kann man seinen Magnetismus aus- und einschalten. Mit ferromagnetischem CrO2 dotierte Biopolymere und Elastomere erwärmen sich, wenn sie dem Laser oder Sonnenlicht ausgesetzt werden, und verlieren vorübergehend ihre magnetischen Eigenschaften, bis sie wieder abkühlen. Die grundlegenden Bewegungen des Materials, die zu Filmen, Schwämmen und Hydrogelen geformt werden, werden durch nahe stehende Permanent- oder Elektromagnete induziert und können sich als Biegung, Verdrehung und Ausdehnung zeigen.

"Wir könnten diese einfachen Bewegungen zu komplexeren Bewegungen kombinieren, wie Kriechen, Gehen oder Schwimmen", sagte Fiorenzo Omenetto, Ph.D., korrespondierender Autor der Studie und der Frank C. Doble Professor für Ingenieurwissenschaften an der Büschel. "Und diese Bewegungen können drahtlos mit Licht ausgelöst und gesteuert werden."

Omenettos Team demonstrierte einige dieser komplexen Bewegungen, indem er weiche Greifer konstruierte, die Objekte als Reaktion auf Lichteinfall erfassen und freisetzen. "Einer der Vorteile dieser Materialien besteht darin, dass wir Teile einer Struktur selektiv aktivieren und mit lokalem oder fokussiertem Licht steuern können", sagte Meng Li, der erste Autor der Arbeit, "und im Gegensatz zu anderen lichtgesteuerten Materialien auf Basis von Flüssigkristallen Diese Materialien können so gestaltet werden, dass sie sich entweder in Richtung Licht oder weg von der Richtung des Lichts bewegen. All diese Eigenschaften machen es möglich, Objekte mit komplexen, koordinierten Bewegungen groß und klein zu machen. "

Um diese Vielseitigkeit zu demonstrieren, konstruierten die Forscher einen einfachen "Curie-Motor". Ein lichtaktivierter Film wurde zu einem Ring geformt und auf einem Nadelpfosten befestigt. Wenn ein Laser in der Nähe eines Permanentmagneten platziert wurde, wenn er auf einen festen Punkt auf dem Ring fokussiert wurde, entmagnetisiert er lokal diesen Teil des Rings und erzeugt eine unsymmetrische Nettokraft, die den Ring zum Drehen bringt. Währenddessen nimmt der entmagnetisierte Punkt seine Magnetisierung wieder an und ein neuer Punkt wird beleuchtet und entmagnetisiert, wodurch der Motor kontinuierlich rotiert.

Materialien, die verwendet werden, um die lichtgesteuerten Materialien zu erzeugen, umfassen Polydimethylsoloxan (PDMS), das ein häufig verwendetes transparentes Elastomer ist, das oft zu flexiblen Filmen geformt wird, und Seidenfibroin, das ein vielseitiges biokompatibles Material mit ausgezeichneten optischen Eigenschaften ist, das zu einem breiten Spektrum von Kunststoffen geformt werden kann Formen - von Filmen zu Gelen, Fäden, Blöcken und Schwämmen.

"Mit zusätzlicher Materialstrukturierung, Lichtstrukturierung und Magnetfeldsteuerung könnten wir theoretisch noch kompliziertere und feinabgestimmte Bewegungen wie Falten und Entfalten, mikrofluidische Ventilschaltungen, Mikro- und Nano-Motoren und mehr erreichen", sagte Omenetto.

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