技术为旨在响应光而移动的设备铺平了道路

诸平

据美国塔夫茨大学（Tufts University）2021年3月12日提供的消息，该校研究人员由单独的灯光控制，可以使新型智能材料实现扭曲、弯曲和移动。图片是光子向日葵移动并跟踪光源，以最大化曝光。相关研究结果于2021年3月12日已经在《自然通讯》（Nature Communications）网站发表——Yu Wang, Meng Li, Jan-Kai Chang, Daniele Aurelio, Wenyi Li, Beom Joon Kim, Jae Hwan Kim, Marco Liscidini, John A. Rogers, Fiorenzo G. Omenetto. Light-activated shape morphing and light-tracking materials using biopolymer-based programmable photonic nanostructures. Nature Communications, 2021, volume 12, Article number: 1651. DOI: 10.1038/s41467-021-21764-6. Published: 12 March 2021. https://www.nature.com/articles/s41467-021-21764-6.pdf

美国塔夫茨大学（Tufts University）工程学院的研究人员已经创建了光激活复合设备，这些设备能够执行精确的可见运动并形成复杂的三维形状，而无需电线或其他驱动材料或能源。该设计将可编程光子晶体与弹性体复合材料结合在一起，可以在宏观和纳米尺度上对其进行工程设计以响应照明。

该研究为智能光驱动系统的开发提供了新途径，例如高效地自对准太阳能电池，它们可以自动跟随太阳的光的方向和角度；当然，也可用于光致动的微流阀或随需而动的软机器人。2021年3月12日在《自然通讯》上发表的一篇论文中，一种“光子向日葵（photonic sunflower）”的花瓣朝着和远离照明弯曲，并跟踪光的路径和角度。

颜色是由光的吸收和反射产生的。虹彩蝴蝶翅膀或蛋白石宝石（opal gemstone）的每一个闪光背后都隐藏着复杂的相互作用，其中嵌入翅膀或石头中的天然光子晶体吸收特定频率的光并反射其它频率。光与晶体表面会合的角度会影响吸收哪些波长以及由吸收的能量产生的热量。

塔夫茨大学研究团队设计的光子材料连接两层：由掺有金纳米颗粒（AuNPs）丝素蛋白（silk fibroin doped with gold nanoparticles）制成的蛋白石样膜，形成光子晶体，以及硅基聚合物——聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane简称PDMS）作为下层基底。除了出色的柔韧性，耐用性和光学性能外，丝素蛋白的负热膨胀系数（coefficient of thermal expansion简称CTE）也很不寻常，这意味着它在加热时会收缩，在冷却时会膨胀。相反，PDMS具有较高的CTE，并且在加热时会迅速膨胀。结果，当新型材料暴露于光线下时，一层的加热速度比另一层快得多，因此该材料会随着一侧的膨胀而弯曲，而另一侧的收缩或膨胀则更为缓慢。

该研究的通讯作者、塔夫茨大学工程学教授费奥伦茨·奥门内托（Fiorenzo Omenetto）说：“通过我们的方法，我们可以在多个尺度上对这些类似蛋白石的薄膜进行构图，以设计它们吸收和反射光的方式。当光移动并且吸收的能量发生变化时，材料折叠和移动的方式取决于其相对于该光的相对位置。”

尽管大多数将光转换为运动的光机械设备都涉及复杂且耗能的制造或设置，但“我们能够实现对光能转换的精确控制，并产生这些材料的‘宏观运动’，而无需任何电力或电线”，费奥伦茨·奥门内托说。

研究人员通过施加模版，然后将其暴露于水蒸气中以产生特定的图案，从而对光子晶体膜进行编程。当暴露于激光时，表面水的图案改变了薄膜吸收和反射的光的波长，从而导致材料以不同的方式弯曲、折叠和扭曲，具体取决于图案的几何形状。

作者在他们的研究中展示了一种“光子向日葵”，其在双层薄膜中集成了太阳能电池，因此这些电池可以跟踪光源。光子向日葵使太阳能电池和激光束之间的角度几乎保持恒定，从而在光移动时最大限度地提高了太阳能电池的效率。该系统在白光下的工作效果与在激光下一样好。这种无线的、光响应的、日光性的（太阳跟随）系统可以潜在地提高太阳能行业的光能转换效率。该团队对这种材料的演示还包括一只蝴蝶，该蝴蝶的翅膀根据光线的变化而打开和关闭，并带有一个自动折叠的盒子。

该研究扩展了塔夫茨大学工程学院费奥伦茨·奥门内托及其同事正在进行的研究，该研究利用蚕丝作为光子学、电子学和纳米技术领域的先进材料平台。上述介绍仅供参考，更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Natural systems display sophisticated control of light-matter interactions at multiple length scales for light harvesting, manipulation, and management, through elaborate photonic architectures and responsive material formats. Here, we combine programmable photonic function with elastomeric material composites to generate optomechanical actuators that display controllable and tunable actuation as well as complex deformation in response to simple light illumination. The ability to topographically control photonic bandgaps allows programmable actuation of the elastomeric substrate in response to illumination. Complex three-dimensional configurations, programmable motion patterns, and phototropic movement where the material moves in response to the motion of a light source are presented. A “photonic sunflower” demonstrator device consisting of a light-tracking solar cell is also illustrated to demonstrate the utility of the material composite. The strategy presented here provides new opportunities for the future development of intelligent optomechanical systems that move with light on demand.