Creato un innovatico materiale fotomeccanico resiliente in grado di trasformare l’energia luminosa in lavoro meccanico senza calore o elettricità, offrendo possibilità innovative per sistemi efficienti dal punto di vista energetico, wireless e controllati a distanza
Cristalli fotomeccanici composti da fotocromi ordinati tridimensionalmente e densamente imballati sono promettenti per attuatori fotochimici ad alte prestazioni. Tuttavia, i cristalli sfusi con un elevato ordine strutturale sono fortemente limitati nella loro flessibilità, con conseguente scarsa lavorabilità e tendenza a frammentarsi in seguito all'esposizione alla luce, mentre i precedenti compositi nano o microcristallini mancavano di allineamento globale.
Immagina una persona a terra che guida un drone in volo che sfrutta la sua energia da un raggio laser, eliminando la necessità di trasportare un'ingombrante batteria di bordo.
Questa è la visione di un gruppo di scienziati della CU Boulder dell'Hayward Research Group (1). In un nuovo studio, descritto su Nature Materials (2), i ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biologica (3) hanno sviluppato un materiale fotomeccanico nuovo e resiliente in grado di trasformare l’energia luminosa in lavoro meccanico senza calore o elettricità, offrendo possibilità innovative per sistemi efficienti dal punto di vista energetico, wireless e controllati a distanza. Il suo ampio potenziale abbraccia diversi settori, tra cui la robotica, l’aerospaziale e i dispositivi biomedici.
«Abbiamo eliminato l'intermediario, per così dire, e preso l'energia della luce e trasformata direttamente in deformazione meccanica», ha detto il professor Ryan Hayward. (4)
Il materiale è composto da minuscoli cristalli organici che iniziano a piegarsi e a sollevare le cose quando esposti alla luce. La ricerca mostra che questi materiali fotomeccanici offrono un’alternativa promettente agli attuatori cablati elettricamente, con il potenziale per controllare o alimentare in modalità wireless robot o veicoli. Inoltre, migliorare l’efficienza della conversione diretta della luce in lavoro offre il potenziale per evitare sistemi ingombranti per la gestione termica e componenti elettrici pesanti.
La ricerca contrasta con tentativi precedenti che coinvolgevano delicati solidi cristallini che cambiavano forma attraverso una reazione fotochimica, ma spesso si rompevano quando esposti alla luce ed erano difficili da trasformare in utili attuatori.
«La cosa interessante è che questi nuovi attuatori sono molto migliori di quelli che avevamo prima. Rispondono rapidamente, durano a lungo e possono sollevare cose pesanti».
L'approccio innovativo dell'Hayward's Lab prevede l'utilizzo di matrici di minuscoli cristalli organici all'interno di un materiale polimerico che assomiglia a una spugna a causa dei suoi minuscoli fori. Man mano che i cristalli crescono all’interno dei pori del polimero, di dimensioni micron, la loro durata e la produzione di energia in seguito all’esposizione alla luce vengono notevolmente migliorate. La loro flessibilità e facilità di modellatura li rendono altamente versatili per un'ampia gamma di applicazioni.
L'orientamento dei cristalli consente loro di svolgere compiti quando esposti alla luce, come piegare o sollevare oggetti. Quando il materiale cambia forma con un carico attaccato, funziona come un motore o un attuatore e sposta il carico. I cristalli possono spostare oggetti molto più grandi di loro. Ad esempio, come si vede nell'immagine sopra, la striscia di cristalli da 0,02 mg solleva con successo una palla di nylon da 20 mg, sollevando 10.000 volte la sua stessa massa.
I ricercatori della CU Boulder includono anche l'autore principale Wenwen Xu, un ex ricercatore post-dottorato nel gruppo di Hayward, (ora presso la Sichuan University-Pittsburgh Institute) e Hantao Zhou (ora presso Western Digital), uno degli studenti laureati di Hayward. Il lavoro ha coinvolto anche collaboratori presso l'University of California Riverside e la Stanford University ed è stato finanziato dall'Office of Naval Research.
Guardando al futuro, il team mira a migliorare il controllo sul movimento del materiale. Attualmente il materiale può passare dallo stato piatto a quello curvo solo piegandosi e poi distendendosi. Il loro obiettivo è anche quello di aumentare l'efficienza, massimizzando la quantità di energia meccanica prodotta rispetto all'energia luminosa immessa.
«Abbiamo ancora molta strada da fare, soprattutto in termini di efficienza, prima che questi materiali possano davvero competere con gli attuatori esistenti», afferma Hayward. «Ma questo studio è un passo importante nella giusta direzione e ci fornisce una tabella di marcia su come potremmo arrivare a questo obiettivo nei prossimi anni».
Riferimenti:
(2) Photo-actuators via epitaxial growth of microcrystal arrays in polymer membranes
(3) Chemical and Biological Engineering
(4) Ryan Hayward
Descrizione foto: Minuscoli cristalli che forniscono energia wireless. - Credit: University of Colorado at Boulder.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: CU Boulder researchers develop arrays of tiny crystals that deliver efficient wireless energy