Tecnologia Científica

Controlados apenas pela luz, os novos materiais inteligentes torcem, dobram e se movem
O design combina cristais fota´nicos programa¡veis ​​com um composto elastomanãrico que pode ser projetado em escala macro e nano para responder a  iluminação.
Por Tufts University - 12/03/2021


O material fota´nico na forma de uma flor pode se mover em resposta a  luz, acompanhando de perto o a¢ngulo de exposição máxima. Crédito: Fio Omenetto, Tufts University

Pesquisadores da Escola de Engenharia da Universidade Tufts criaram dispositivos compostos ativados por luz capazes de executar movimentos visa­veis e precisos e formar formas tridimensionais complexas sem a necessidade de fios ou outros materiais atuantes ou fontes de energia. O design combina cristais fota´nicos programa¡veis ​​com um composto elastomanãrico que pode ser projetado em escala macro e nano para responder a  iluminação.

A pesquisa fornece novos caminhos para o desenvolvimento de sistemas inteligentes movidos a luz , como células solares de alta eficiência e autocompensadores que seguem automaticamente a direção do sol e o a¢ngulo de luz, va¡lvulas microflua­dicas acionadas por luz ou robôs suaves que se movem com a luz sob demanda . Um "girassol fota´nico", cujas panãtalas ondulam em direção e para longe da iluminação e que rastreia o caminho e o a¢ngulo da luz, demonstra a tecnologia em um artigo publicado em 12 de mara§o de 2021 na Nature Communications .

A cor resulta da absorção e reflexa£o da luz. Por trás de cada lampejo de uma asa de borboleta iridescente ou gema opala estãointerações complexas nas quais cristais fota´nicos naturais embutidos na asa ou pedra absorvem luz de frequências especa­ficas e refletem outras. O a¢ngulo em que a luz encontra asuperfÍcie cristalina pode afetar quais comprimentos de onda são absorvidos e o calor que égerado a partir dessa energia absorvida.

"Com nossa abordagem, podemos padronizar esses filmes parecidos com opalas em várias escalas para projetar a maneira como absorvem e refletem a luz. Quando a luz se move e a quantidade de energia que éabsorvida muda, o material se dobra e se move de maneira diferente em função de seu posição relativa a essa luz ",

Fiorenzo Omenetto

O material fota´nico projetado pela equipe da Tufts une duas camadas: um filme semelhante a opala feito de fibroa­na de seda dopada com nanoparta­culas de ouro (AuNPs), formando cristais fota´nicos, e um substrato subjacente de polidimetilsiloxano (PDMS), um pola­mero a  base de sila­cio. Além de nota¡vel flexibilidade, durabilidade e propriedades a³pticas, a fibroa­na de seda éincomum por ter um coeficiente de expansão tanãrmica negativo (CTE), o que significa que se contrai quando aquecido e se expande quando resfriado. O PDMS, em contraste, tem um CTE alto e se expande rapidamente quando aquecido. Como resultado, quando o novo material éexposto a  luz, uma camada se aquece muito mais rapidamente do que a outra, de modo que o material se dobra conforme um lado se expande e o outro se contrai ou se expande mais lentamente.

"Com nossa abordagem, podemos padronizar esses filmes parecidos com opalas em várias escalas para projetar a maneira como absorvem e refletem a luz. Quando a luz se move e a quantidade de energia que éabsorvida muda, o material se dobra e se move de maneira diferente em função de seu posição relativa a essa luz ", disse Fiorenzo Omenetto, autor correspondente do estudo e o professor de engenharia Frank C. Doble da Tufts.
 
Considerando que a maioria dos dispositivos optomeca¢nicos que convertem luz em movimento envolvem fabricação ou configurações complexas e que consomem muita energia, "Somos capazes de alcana§ar o controle requintado da conversão de luz-energia e gerar 'macro movimento' desses materiais sem a necessidade de eletricidade ou fios, "Omenetto disse.

Os pesquisadores programaram os filmes de cristal fota´nico aplicando estaªnceis e, em seguida, expondo-os ao vapor de águapara gerar padraµes específicos. O padrãoda águadesuperfÍcie alterou o comprimento de onda da luz absorvida e refletida do filme, fazendo com que o material se dobrasse, dobre e se tora§a de maneiras diferentes, dependendo da geometria do padra£o, quando exposto a  luz laser.

Os autores demonstraram em seu estudo um "girassol fota´nico", com células solares integradas no filme de duas camadas, de modo que as células rastreiam a fonte de luz. O girassol fota´nico manteve o a¢ngulo entre as células solares e o feixe de laser quase constante, maximizando a eficiência das células conforme a luz se movia. O sistema funcionaria tão bem com luz branca quanto com luz laser. Tais sistemas heliotra³picos sem fio, responsivos a  luz (seguindo o sol) podem aumentar potencialmente a eficiência de conversão de luz em energia para a indústria de energia solar. As demonstrações do material pela equipe também inclua­ram uma borboleta cujas asas abriam e fechavam em resposta a  luz e uma caixa dobra¡vel.

 

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