光のビーム上で曲げることを余儀なくされたポリマー材料

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レーザービームの入射に向けたポリマーロッドの変形

アメリカの科学者たちは、植物のように光源に向かって曲がることができるポリマーナノ構造材料を作成しました。感光性ナノ粒子の局所的な加熱によって引き起こされる新しい材料で作られたロッドの温度差のために、それはビームの入射に向けられるまで曲がる。 Nature Nanotechnologyに発表された研究によると、新しい材料は光エネルギー変換デバイスの効率を4倍にする可能性があります。

多くの生物は外部環境要因の影響下で動くことができます。たとえば、細胞やバクテリアは栄養素の濃度の増加に向かって移動することができ、植物はエネルギーをより効率的に得るためにそれらの器官を入射光に対して垂直に向けます。

科学者はすでに人工的に感光性の材料を作成しましたが、形状の変化は、光源の位置ではなく、材料内の分子の配向の違いによって決定されました。変形は、温度、光の強度、およびその他の外部要因に大きく依存していたため、材料の動きを制御することが困難でした。

カリフォルニア大学ロサンゼルス校のXiaoshiQianらは、さまざまな感光性ポリマーから人工光屈性ロッドを作成しました。植物が使用するメカニズム(茎の暗い領域での細胞の伸長)と同様に、著者らは、光と温度の上昇にさらされると収縮して茎が非対称に変形する材料を使用しました。

原理を実証するために、科学者は4つの材料の挙動を研究しました。金ナノ粒子または還元型酸化グラフェンを光受容体として持つ感熱性ヒドロゲル。このヒドロゲルとポリアクリルアミドおよび感光性ポリピロールとの共重合体。光吸収剤としてポリアニリンを含む別のヒドロゲル。また、藍染料液晶エラストマー。

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レーザービームの後ろのロッドの連続回転の写真

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軽い変形メカニズム

人工光向性は、光子エネルギーの熱エネルギーへの変換、熱の影響下での物質の拡散、および機械的変形など、いくつかの物理的プロセスによって発生しました。光はナノ光吸収体のプラズモン共鳴と照射されたヒドロゲル領域のスポット加熱を引き起こし、その結果、温度差がなくなるまで、つまり光の入射に向けられるまでロッドが収縮し、ロッドが回転しました。照明が停止すると、ロッドは元の変形していない位置に戻り、新しい光線が落ちると、角度の変化にすばやく(300分の1秒で1度)反応しました。

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入射光に対するいくつかのポリマーマイクロロッドの反応の写真

同じ表面に配置されたこれらのロッドのいくつかは、光の入射方向に軸から84度ずれている可能性があり、静的光変換器の4倍の光エネルギーを熱に変換する能力を提供します。

研究の著者は、4つの材料で原理を示しました。彼らによると、他のヒドロゲル、液晶エラストマー、およびアゾベンゼンまたはスピロピランに基づくポリマーは、同様の方法で動作することができます。

光で動かすことができるのはポリマーだけではありません。たとえば、香港の化学者のグループは、シリコン、プラチナ、酸化チタンから光制御マイクロスイマーを作成しました。それらの動きは、それらの電荷と光化学反応の結果として生じた場との相互作用によって保証されました。

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