Pesquisadores da Escola de Engenharia da Universidade Tufts criaram dispositivos compostos ativados por luz capazes de executar com precisão, movimentos visíveis e formas tridimensionais complexas sem a necessidade de fios ou outros materiais atuantes ou fontes de energia. O design combina cristais fotônicos programáveis ​​com um composto elastomérico que pode ser projetado em escala macro e nano para responder à iluminação.

A pesquisa fornece novos caminhos para o desenvolvimento de sistemas inteligentes movidos a luz, como de alta eficiência, células solares autocompensadoras que seguem automaticamente a direção do sol e o ângulo de luz, válvulas microfluídicas acionadas por luz ou robôs suaves que se movem com a luz sob demanda. Um "girassol fotônico, "cujas pétalas se enrolam em direção e para longe da iluminação e que rastreia o caminho e o ângulo da luz, demonstra a tecnologia em um artigo publicado em 12 de março, 2021 dentro Nature Communications .

A cor resulta da absorção e reflexão da luz. Por trás de cada lampejo de uma asa de borboleta iridescente ou gema opala estão interações complexas nas quais cristais fotônicos naturais embutidos na asa ou pedra absorvem luz de frequências específicas e refletem outras. O ângulo em que a luz encontra a superfície cristalina pode afetar quais comprimentos de onda são absorvidos e o calor que é gerado a partir dessa energia absorvida.

O material fotônico projetado pela equipe da Tufts une duas camadas:um filme semelhante a opala feito de fibroína de seda dopada com nanopartículas de ouro (AuNPs), formando cristais fotônicos, e um substrato subjacente de polidimetilsiloxano (PDMS), um polímero à base de silício. Além de flexibilidade notável, durabilidade, e propriedades ópticas, a fibroína da seda é incomum por ter um coeficiente negativo de expansão térmica (CTE), o que significa que ele se contrai quando aquecido e se expande quando resfriado. PDMS, em contraste, tem um CTE alto e se expande rapidamente quando aquecido. Como resultado, quando o novo material é exposto à luz, uma camada aquece muito mais rapidamente do que a outra, assim, o material se dobra conforme um lado se expande e o outro se contrai ou se expande mais lentamente.

"Com a nossa abordagem, podemos padronizar esses filmes semelhantes a opalas em múltiplas escalas para projetar a maneira como absorvem e refletem a luz. Quando a luz se move e a quantidade de energia que é absorvida muda, o material se dobra e se move de maneira diferente em função de sua 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 optomecânicos que convertem luz em movimento envolvem fabricação ou configurações complexas e que consomem muita energia, "Somos capazes de alcançar um controle requintado de conversão de energia de luz e gerar 'macro movimento' desses materiais sem a necessidade de eletricidade ou fios, "Omenetto disse.

Os pesquisadores programaram os filmes de cristal fotônico aplicando estênceis e, em seguida, expondo-os ao vapor d'água para gerar padrões específicos. O padrão da água de superfície alterou o comprimento de onda da luz absorvida e refletida do filme, fazendo com que o material dobre, dobre e torça de maneiras diferentes, dependendo da geometria do padrão, quando exposto à luz laser.

Os autores demonstraram em seu estudo um "girassol fotônico, "com células solares integradas no filme de camada dupla, de modo que as células rastreiam a fonte de luz. O girassol fotônico manteve o ângulo 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. Tão wireless, responsivo à luz, sistemas heliotrópicos (seguidores do 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 incluíram uma borboleta cujas asas abriam e fechavam em resposta à luz e uma caixa dobrável.