2018-12-05 05:48:01
微观向日葵为更好的太阳能电池板

壁虎的脚垫是臭名昭着的粘性脚,覆盖着刚毛微观的毛发结构,其化学和物理成分以及高度的灵活性使蜥蜴能够轻松地抓住墙壁和天花板。科学家们试图在实验室中用各种材料复制这种动态微观结构,包括液晶弹性体(LCEs),这些材料是附着液晶基团的橡胶网络,决定了LCE可以移动和拉伸的方向。到目前为止,合成LCE大多只能在一维或两维中变形,限制了结构在整个空间中移动并呈现不同形状的能力。

现在,来自哈佛大学Wyss生物启发工程研究所和John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的一组科学家利用磁场来控制LCE的分子结构,并创造出微观的三维聚合物形状。编程为响应多种类型的刺激而向任何方向移动。据PNAS报道,这项工作可能会产生许多有用的设备,包括太阳能电池板,它们会跟随太阳以改善能量捕获。

“这个项目的关键在于我们能够通过在三维空间中任意方向对齐液晶来控制分子结构,使我们能够将几乎任何形状编程到材料本身的几何形状中,”第一作者Yuxing说。姚,是Wyss创始核心学院成员Joanna Aizenberg博士的研究生,博士。

由Yao和Aizenberg团队创建的微观结构由LCE铸成任意形状,可以根据热量,光线和湿度变形,并且其特定的重新配置由其自身的化学和材料特性控制。研究人员发现,通过暴露在合成它们时LCE的磁场前体,LCE内的所有液晶元素沿着磁场排列并在聚合物固化后保持这种分子排列。通过在此过程中改变磁场的方向,科学家们可以决定当加热到破坏其液晶结构取向的温度时,所得到的LCE形状将如何变形。当恢复到环境温度时,变形的结构恢复其初始的内部定向形状。

这种编程的形状变化可以用于创建仅在加热到特定温度时显示的加密消息,用于微小软机器人的致动器,或者可以打开和关闭粘性的粘合材料。该系统还可以使形状在通常需要输入一些能量来实现的方向上自动弯曲。例如,LCE板不仅经历了“传统的”平面外弯曲,而且还经历了面内弯曲或扭曲,伸长和收缩。另外,通过在聚合期间将LCE结构的不同区域暴露于多个磁场,然后在加热时在不同方向上变形,可以实现独特的运动。

该团队还能够通过在聚合期间将光敏交联分子结合到结构中来对LCE形状进行编程以响应光重新配置。然后,当从某个方向照射结构时,面向光的一侧收缩,使整个形状朝向光弯曲。这种类型的自调节运动允许LCE响应于其环境而变形并且不断地重新定向以自主地跟随光。

另外,可以利用热响应和光响应特性来创建LCE,使得单材料结构现在能够具有多种形式的运动和响应机制。

这些多响应LCE的一个令人兴奋的应用是创建覆盖有微结构的太阳能电池板,当它像向日葵一样在天空中移动时转向跟随太阳,从而导致更有效的光捕获。该技术还可以构成自动源跟踪无线电,多级加密,传感器和智能建筑的基础。

“我们的实验室目前有几个正在进行的项目,我们正在努力控制这些LCE的化学反应,以实现独特的,以前看不见的变形行为,因为我们相信这些动态生物启发结构有可能在许多领域中得到应用,” Aizenberg说,他也是SEAS的Amy Smith Berylson材料科学教授。

“询问有关自然如何运作以及是否有可能在实验室中复制生物结构和过程的基本问题是Wyss研究所价值观的核心,并且通常可以带来创新,不仅符合大自然的能力,而且可以改进 创造新的材料和设备,否则就不会存在,“威斯研究所创始主任唐纳德英格伯医学博士说,他也是哈佛医学院血管生物学的犹大民俗教授和波士顿儿童医院的血管生物学项目。 以及SEAS的生物工程教授。

猜您喜欢的其它内容