光响应纳米晶体阵列可提升自身质量的 10000 倍

来源：cnBeta
时间：2023-08-22 19:48:20

研究人员利用微小的有机晶体开发出了一种新型材料，这种材料能将光转化为巨大的机械力，能够提升自身质量的 10000 倍。这种光机械材料不需要热量或电力，有朝一日可以驱动无线遥控系统，为机器人和车辆提供动力。

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光机械材料旨在将光直接转化为机械力。它们是光化学、聚合物化学、物理学、力学、光学和工程学之间复杂相互作用的结果。光机械致动器是机器中帮助实现物理运动的部分，由于只需操纵光照条件就能实现外部控制，因此越来越受到人们的青睐。

科罗拉多大学博尔德分校的研究人员在光机械材料的开发方面又迈出了新的一步，他们创造出了一种微小的有机晶体阵列，可以弯曲和提升比自身重得多的物体。

该研究的通讯作者莱恩-海沃德（Ryan Hayward）说："可以说，我们省去了中间环节，把光能直接转化为机械变形。"

光化学材料面临的一个问题是如何利用分子水平的运动来产生大规模的机械响应，这通常需要将反应分子组织起来，使它们都向同一方向推动。要做到这一点，通常需要使用有序的宿主材料，如液晶聚合物，或将分子有序地自组装成晶体。

研究人员希望避免以往使用结晶固体的光机械材料在光化学反应下改变形状时出现的问题：这些结晶固体在暴露在光线下时往往会开裂，而且很难加工成有用的致动器。因此，他们将微小的有机二联蒽衍生晶体阵列作为光活性成分，并将其镶嵌在具有微米级孔隙的聚合物材料（聚对苯二甲酸乙二醇酯，PET）中。

随着晶体在孔隙中生长，它们在光照下的耐久性和能量产生都得到了显著提高。此外，将光机械晶体限制在孔隙内还能防止它们在光照射时断裂。这种复合材料可以弯曲 180°，而不会断裂或影响其光机械响应，在紫外线和可见光交替照射时，还可以进行可逆弯曲和不弯曲。这种晶体还能在不加热或不通电的情况下将光转换为机械功。

研究人员接着进行了举重实验，以了解光机械晶体的承重能力。他们发现，当晶体在负载的作用下改变形状时，它们就会像致动器一样移动负载。0.02 毫克的晶体阵列能够举起 20 毫克的尼龙球，这是其自身质量的 1 万倍。

海沃德说："令人兴奋的是，这些新的致动器比我们以前使用的致动器要好得多。它们反应迅速，使用寿命长，还能举起重物"。

研究人员说，这种光化学材料的灵活性和易塑造性使得它可以应用于一系列领域，比如取代机器人和车辆中的电线致动器，或者用激光束代替笨重的电池为无人机供电。不过，研究人员还有一些工作要做。

展望未来，他们的目标是实现对材料运动的更大控制，目前，这种材料只能通过弯曲和不弯曲来实现从平面到弯曲的状态。他们还希望提高效率，使产生的机械能与输入的光能相比最大化。

海沃德说："我们还有很长的路要走，特别是在效率方面，这些材料才能真正与现有的致动器竞争。但这项研究是朝着正确方向迈出的重要一步，它为我们提供了一个路线图，让我们知道如何在未来几年内实现这一目标。"

这项研究发表在《自然-材料》杂志上。

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