Ученые из инженерной школы университета Тафтса создали активируемые светом композитные устройства. Они способны выполнять точные, видимые движения и создавать сложные трехмерные формы без необходимости использования проводов, других активирующих материалов или источников энергии. Конструкция сочетает в себе программируемые фотонные кристаллы с эластомерным композитом, который можно создавать в макро- и нано-масштабе, чтобы реагировать на свет.

Исследование открывает новые возможности для разработки интеллектуальных систем, которые будут работать, реагируя на свет. Например, высокоэффективные, самоустанавливающиеся солнечные элементы. Их особенность в том, что они автоматически следуют за направлением и углом света Солнца. Также перед инженерами открывается перспектива создать микрожидкостные клапаны со световым приводом или мягких роботов.

Подробности о создании «фотонного подсолнуха», лепестки которого изгибаются, реагируя на свет, отслеживая его путь и угол преломления описаны в статье для журнала Nature Communications.

Цвет возникает в результате поглощения и отражения света. Этот процесс состоит из серии сложных взаимодействий. Объекты поглощают свет определенных частот и отражают другие. Угол, под которым свет встречается с поверхностью, влияет на то, какие длины волн поглощаются, а также на тепло, выделяемое этой поглощенной энергией.

Фотонный материал, разработанный командой университета Тафтса, объединяет два слоя. Первый — опалоподобная пленка из фиброина шелка, легированная наночастицами золота (AuNP), образующих фотонные кристаллы. Вторая — подложка из полидиметилсилоксана (ПДМС), полимера на основе кремния.

Помимо замечательной гибкости, долговечности и оптических свойств, фиброин шелка необычен тем, что имеет отрицательный коэффициент теплового расширения (КТР). Это означает, что он сжимается при нагревании и расширяется при охлаждении. ПДМС, напротив, имеет высокий КТР и быстро расширяется при нагревании. В результате, когда новый материал подвергается воздействию света, один слой нагревается намного быстрее, чем другой. Таким образом материал изгибается, когда одна сторона расширяется, а другая сжимается или расширяется медленнее.

Большинство оптомеханических устройств, которые преобразуют свет в движение, требуют сложного и энергоемкого изготовления или настройки. Принимая это во внимание, ученые добились точного управления преобразованием световой энергии и генерации макродвижения этих материалов без необходимости использования электричества или проводов.