All about Photonics

Science/Research 詳細

Tufts University、新しいスマートマテリアルを光だけで制御

3

March, 24, 2021, Tafts--タフツ大学工学部の研究者は、光活性化複合デバイスを開発した。これは、配線や他の作動材料あるいはエネルギー源なしに、正確で目に見える動きをし、複雑な3D形状形成することができる。その設計は、プログラマブルフォトニック結晶と、エラストマ複合材料を結合し、光照射に反応するようにマクロおよびナノスケールで設計可能である。

その研究は、スマート光作動システムの開発に新たな道を開く。例えば、自動的に太陽の方向および光の角度に追従する高効率、自己整列太陽電池、光作動マイクロ流体バルブ、あるいは光でオンデマンド動作するソフトロボットなど。花弁が光照射の方向に向いたり、逸れたりする「フォトニックひまわり」、これは光の経路や角度を追跡する。研究成果は、Nature Communicationsに発表された。

色は、光の吸収と反射の結果である。虹色の蝶の翅、オパール宝石の全フラッシュの背後に複雑な相互作用がある。翅や石に埋め込まれた自然のフォトニック結晶が特定の周波数の光を吸収し、他を反射するのである。その光が結晶面とぶつかる角度が、どの波長が吸収され、その吸収エネルギーから生成される熱に影響を与える。

タフツ大学のチームが設計したフォトニック材料は、2層を結合している。金ナノ粒子(AuNPs)をドープしたシルクフィブロインでできたオパールのような膜、フォトニック結晶を構成する、それと下層基板ポリジメチルシロキサン(PDMS)、シリコンベースのポリマとの結合である。目覚ましい柔軟性、耐久性、光学特性に加えて、シルクフィブロインは、負の熱膨張係数(CTE)を持つ点で異例である。つまり、それは,加熱すると収縮し、冷却すると広がる。PDMSは、対照的に、高CTEであり、加熱すると急速に膨張する。結果的に、その新しい材料は光に晒されると、一つの層が他方よりも非常に急速に加熱し、したがってその材料は曲がる、片側が膨張し、他方が収縮する、あるいは非常に緩慢に膨張するからである。

「われわれのアプローチで、これらのオパールのような膜を多重スケールでパタン化し、それらが光を吸収、反射する仕方を設計できる。光が動き、吸収されるエネルギー量が変化すると、その材料は折り畳まれ、その光に対する相対位置の関数として様々に動く」と、工学部、研究の責任著者、Fiorenzo OmenettoとFrank C. Doble教授は説明している。

光を動きに変換するほとんどのオプトメカニカルデバイスが複雑でエネルギー集約的に作製つまりセットアップに関与するが、「われわれは絶妙な光制御エネルギー変換を達成し、電気や配線を全く必要とせずにこれらの材料の‘マクロ運動’ を生成することができる」とOmenettoは説明している。

研究チームは、ステンシルを適用し、それらを水蒸気に晒して特殊なパタンを生成することでフォトニック結晶膜をプログラムした。表面の水のパタンが、薄膜からの光の吸収と反射の波長を変え、こうして材料は、レーザ光に晒されると、様々な仕方で曲り、折り畳まれ、捻られる。これはパタンの形状に依存する。

研究チームは、研究で、ソーラセルが光源を追跡するように二層膜ソーラセルを組込だ“フォトニックサンフラワー,”を実証した。そのフォトニックサンフラワーは,ソーラセルとレーザビーム間の角度をほぼ一定に保ち、光が動くにともないセルの効率を最大化した。そのようなワイヤレス、光反応、へリオトロピック(向日)システムは、太陽光発電産業で光からエネルギーへの変換を強化することができる。チームのその材料のデモンストレーションは、光に反応して翅を広げたり閉じたりする蝶、折りたたみ式ボックスを含む。

研究は、シルクを利用する進行中の研究をフォトニクス、エレクトロニクス、ナノテクノロジーにおける先端材料プラットフォームとして拡大していく。
(詳細は、https://now.tufts.edu)