Nanokryštál reagujúci na svetlo zodvihne10 000-násobok vlastnej hmotnosti

Vedci vyvinuli nový materiál využívajúci malé organické kryštály, ktoré premieňajú svetlo na značnú mechanickú silu, schopnú zdvihnúť 10 000-násobok svojej hmotnosti. Bez potreby tepla alebo elektriny by sa dal tento fotomechanický materiál jedného dňa využiť v bezdrôtových, diaľkovo ovládaných systémoch, ktoré poháňajú roboty a vozidlá. Fotomechanické materiály sú určené na priamu premenu svetla na mechanickú silu. Fotomechanické aktuátory, časti stroja, ktoré pomáhajú dosahovať fyzické pohyby, získavajú na popularite, pretože vonkajšie ovládanie možno dosiahnuť jednoduchou manipuláciou so svetelnými podmienkami.

Výskumníci z Coloradskej univerzity v Boulderi urobili ďalší krok vo vývoji fotomechanických materiálov a vytvorili malú sústavu organických kryštálov, ktorá ohýba a dvíha predmety oveľa ťažšie ako ona sama. Problémom fotochemických materiálov je využitie pohybov na molekulárnej úrovni na generovanie rozsiahlej mechanickej reakcie, čo zvyčajne vyžaduje, aby boli reaktívne molekuly usporiadané tak, aby všetky tlačili rovnakým smerom. To sa bežne dosahuje použitím usporiadaného hostiteľského materiálu, ako je polymér tekutých kryštálov, prípadne použitím samousporiadania molekúl do kryštálu.

Výskumníci sa chceli vyhnúť problémom, ktoré sa vyskytli pri predchádzajúcich fotomechanických materiáloch využívajúcich kryštalické pevné látky, ktoré menia tvar v reakcii na fotochemickú reakciu. Tie často praskali pri vystavení svetlu a bolo náročné ich spracovať na užitočné aktuátory. Ako fotoaktívnu zložku preto použili sústavy drobných organických kryštálov odvodených od diarylénu, ktoré sú umiestnené v polymérnom materiáli (polyetyléntereftalát, PET) s pórmi veľkosti mikrónov. Keďže kryštály rástli v póroch, ich trvanlivosť a produkcia energie sa pri vystavení svetlu výrazne zvýšili.

Okrem toho obmedzenie fotomechanických kryštálov v póroch zabránilo ich rozbitiu pri vystavení svetlu. Kompozitný materiál sa dal ohýbať až o 180° bez toho, aby sa zlomil alebo stratil svoju fotomechanickú reakciu, a pri striedaní UV a viditeľného svetla prechádzal vratným ohýbaním. A kryštály dokázali premieňať svetlo na mechanickú prácu bez tepla alebo elektriny. Vedci vykonali experiment so zdvíhaním závažia, aby zistili, koľko dokážu fotomechanické kryštály zdvihnúť. Zistili, že keď kryštály s pripojeným bremenom zmenili tvar, fungovali ako aktuátor a bremeno posunuli.

Sústava kryštálov s hmotnosťou 0,02 mg dokázala zdvihnúť 20-gramovú nylonovú guľôčku, čo je 10 000-násobok jej vlastnej hmotnosti. Výskumníci tvrdia, že vďaka flexibilite a jednoduchému tvarovaniu je fotochemický materiál použiteľný v mnohých aplikáciách, napríklad ako náhrada elektricky napájaných aktuátorov v robotoch a vozidlách alebo ako napájanie dronov laserovými lúčmi namiesto objemnej batérie.

V budúcnosti chcú dosiahnuť väčšiu kontrolu nad pohybom materiálu. Dúfajú takisto, že sa im podarí zvýšiť účinnosť a maximalizovať množstvo vyrobenej mechanickej energie v porovnaní so vstupom svetelnej energie. Štúdia bola uverejnená v časopise Nature Materials.

Zdroj: newatlas.com.