光致變化結晶製作創新複合材料,可望實現無電池之無線致動器

 

刊登日期:2023/10/12
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美國科羅拉多大學波德分校的研發團隊利用光線照射下分子結構會有所變化的光致變色(Photochromi)結晶,開發出具有彈性的高分子複合材料。新材料無須透過電能或熱能,只要光線照射,即使經過100個循環的快速機械性形變依然無損傷。此項技術意味著創新系統的可能性,光能可以直接轉換成機械性工作,不需熱機關或電池,並能無線遠端操作。可望應用於機器人、無人機、航太、生物醫學設備等各種產業。
 
光致變化結晶的分子構造因光線照射產生可逆性的變化,在兩種狀態下吸收光譜會有所改變,因此可望應用做為調光材料、光記憶材料、全像投影材料等用途,相關研究亦受矚目。目前已有研究將此分子構造的變化視為機械性形變,並評估是否能將此動作做為致動器(Actuator)動力利用,但光致變化結晶仍有尚待解決的課題,例如因光照射而破裂,缺乏耐久性、柔軟性、成形性,以致難以達到致動器實用化。
 
研發團隊為了克服這些課題,利用海綿狀的異方性PET基板,在孔洞中讓光致變化結晶之一的二芳基乙烯(Diarylethene)微細結晶進行磊晶成長,製作出具有方向性且刻意分散配列的微細(Micro)複合材料。結果顯示,新材料對於光線照射的耐久性、柔軟性、成形性有顯著提升,且發現在光線照射後複合材料產生形變,物體可以彎折或提起,產生類似致動器的作動。
 
另外,新材料還可以移動更大的物體,經實證,0.02 mg的片狀複合材料可舉起一萬倍重量(20 mg)的尼龍球,且對於光線照射的反應速度很快,即使反復執行100次循環,依然展現毫無損傷的機械性形變,且與單純的光致變化結晶相比,可發揮更大的工作量密度。若能提升光線轉換成運作的效率,將可望擺脫熱能機關或電池等厚重的機器設備,並能取代目前使用電能驅動的微型致動器,實現無線操控或驅動。

資料來源: https://engineer.fabcross.jp/archeive/230913_arrays-of-tiny-crystals.html
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