I materiali intelligenti utilizzati dai ricercatori della Tufts University School of Engineering hanno permesso di realizzare dispositivi compositi attivati esclusivamente dalla luce.
I dispositivi, realizzati con i nuovi materiali intelligenti, sono in grado di compiere movimenti precisi disponendosi in forme tridimensionali complesse senza la necessità di essere azionati da meccanismi ingombranti o da fonti di energia esterna.
Il design combina i cristalli fotonici programmabili con materiali realizzati con un composito elastomerico che può essere ingegnerizzato su scala macro e nanometrica in grado di rispondere a una fonte di luce.
Questa tipologia di materiali intelligenti aprirà nuove vie verso lo sviluppo di sistemi alimentati dalla luce come celle solari super efficienti in grado di allinearsi automaticamente alla sorgente luminosa seguendone autonomamente la direzione, valvole microfluidiche azionate dalla luce o “robot morbidi” in grado di muoversi sfruttando la luce del Sole.
Per dimostrare la versatilità di questi materiali è stato costruito un piccolo “girasole fotonico” che segue il movimento di una fonte di luce laser. Questo piccolo dispositivo dimostra la nuova tecnologia in un documento apparso il 12 marzo 2021 su Nature Communications.
Materiali intelligenti attivati dalla luce
I colori che percepiamo sono il risultato dell’assorbimento e della riflessione della luce. Dietro ogni lampo di un’ala di farfalla iridescente o di una gemma di opale ci sono interazioni complesse in cui i “cristalli naturali” che fanno parte dell’ala o della pietra assorbono frequenze specifiche di luce e ne riflettono altre.
L’angolo con cui la luce incontra la superficie cristallina può influenzare le lunghezze d’onda assorbite e il calore generato dall’energia.
Il materiale intelligente in grado di reagire se stimolato dalla luce è stato progettato dal team di Tufts.
Questo materiale “fotonico” è composto da due strati: un film simile a un opale fatto di fibroina di seta drogata con nanoparticelle d’oro (AuNP), che formano i cristalli fotonici e un substrato sottostante di polidimetilsilossano (PDMS), un polimero a base di silicio.
La fibroina di seta oltre a possedere una notevole flessibilità, durata e notevoli proprietà ottiche, possiede un insolito coefficiente di espansione termica (CTE) negativo, il che significa che si contrae quando riscaldata e si espande quando raffreddata.
Il PDMS, al contrario, ha un coefficiente di espansione termica elevato e si espande rapidamente appena riscaldato.
Di conseguenza, quando il materiale “intelligente” viene esposto alla luce, uno strato si riscalda molto più rapidamente dell’altro, piegandosi quando un lato si espande e l’altro si contrae o si espande più lentamente.
“Con il nostro approccio, possiamo modellare queste pellicole opaline su più scale per progettare il modo in cui assorbono e riflettono la luce.
Quando la luce si muove e la quantità di energia assorbita cambia, il materiale si piega e si muove in modo diverso in funzione della sua posizione relativa alla fonte di luce”, hanno spiegato Fiorenzo Omenetto, autore dello studio e Frank C. Doble Professore di Ingegneria a Tufts.
Fino ad oggi, gran parte dei dispositivi optomeccanici che convertono la luce in movimento implicano fabbricazioni o configurazioni molto complesse e ad alta intensità energetica,
“Siamo in grado di ottenere un controllo eccellente della conversione di energia luminosa e generare macro movimento di questi materiali intelligenti senza la necessità di elettricità o cavi”, Ha detto Omenetto.
Materiali intelligenti programmabili
I ricercatori hanno programmato i film di cristalli fotonici applicando stencil e quindi esponendoli al vapore acqueo per generare modelli specifici.
Il modello con l’acqua in superficie ha alterato la lunghezza d’onda della luce assorbita e riflessa dalla pellicola, provocando così la piegatura e la torsione del materiale in modi diversi, a seconda della geometria del modello, quando esposto alla luce laser.
Gli autori hanno dimostrato nel loro studio il funzionamento di un “girasole fotonico”, con celle solari integrate nella pellicola a doppio strato, in modo che le cellule seguissero la sorgente di luce.
Il girasole fotonico ha mantenuto l’angolo tra le celle solari e il raggio laser quasi costante, massimizzando l’efficienza delle celle quando la luce veniva spostata.
Il sistema, composto dai nuovi materiali intelligenti, potrebbe funzionare sia con la luce bianca (emessa dal Sole) che con la luce laser. Questi sistemi wireless, sensibili alla luce, eliotropici (cioè che seguono il Sole) potrebbero migliorare l’efficienza della conversione luce – energia nell’industria della produzione di energia solare.
Le dimostrazioni delle potenzialità dei materiali intelligenti utilizzati dal team includevano inoltre una farfalla che sbatteva le ali rispondendo all’esposizione alternata di una fonte di luce e una scatola realizzata con gli stessi materiali intelligenti che si apriva e richiudeva reagendo semplicemente alla luce.
