Los investigadores de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Tufts han creado dispositivos compuestos activados por luz capaces de ejecutar movimientos visibles y forman complejas formas tridimensionales sin la necesidad de cables u otros materiales de accionamiento o fuentes de energía. El diseño combina cristales fotónicos programables con un compuesto elastomérico que puede diseñarse a escala macro y nano para responder a la iluminación.

La investigación proporciona nuevas vías para el desarrollo de sistemas inteligentes impulsados ​​por luz, como alta eficiencia, células solares autoalineables que siguen automáticamente la dirección y el ángulo de luz del sol, válvulas de microfluidos accionadas por luz o robots blandos que se mueven con luz a demanda. Un "girasol fotónico, "cuyos pétalos se curvan hacia y desde la iluminación y que siguen la trayectoria y el ángulo de la luz, demuestra la tecnología en un artículo que aparece el 12 de marzo, 2021 en Comunicaciones de la naturaleza .

El color resulta de la absorción y el reflejo de la luz. Detrás de cada destello de un ala de mariposa iridiscente o de una piedra preciosa de ópalo se encuentran interacciones complejas en las que los cristales fotónicos naturales incrustados en el ala o la piedra absorben la luz de frecuencias específicas y reflejan otras. El ángulo en el que la luz se encuentra con la superficie cristalina puede afectar qué longitudes de onda se absorben y el calor que se genera a partir de esa energía absorbida.

El material fotónico diseñado por el equipo de Tufts une dos capas:una película tipo ópalo hecha de fibroína de seda dopada con nanopartículas de oro (AuNPs), formando cristales fotónicos, y un sustrato subyacente de polidimetilsiloxano (PDMS), un polímero a base de silicio. Además de una notable flexibilidad, durabilidad, y propiedades ópticas, la fibroína de seda es inusual por tener un coeficiente negativo de expansión térmica (CTE), lo que significa que se contrae cuando se calienta y se expande cuando se enfría. PDMS, a diferencia de, tiene un CTE alto y se expande rápidamente cuando se calienta. Como resultado, cuando el material novedoso se expone a la luz, una capa se calienta mucho más rápido que la otra, por lo que el material se dobla cuando un lado se expande y el otro se contrae o expande más lentamente.

"Con nuestro enfoque, podemos modelar estas películas con forma de ópalo a múltiples escalas para diseñar la forma en que absorben y reflejan la luz. Cuando la luz se mueve y la cantidad de energía que se absorbe cambia, el material se pliega y se mueve de manera diferente en función de su posición relativa a esa luz, "dijo Fiorenzo Omenetto, autor correspondiente del estudio y profesor Frank C. Doble de Ingeniería en Tufts.

Considerando que la mayoría de los dispositivos optomecánicos que convierten la luz en movimiento implican una fabricación o configuraciones complejas y que consumen mucha energía, "Podemos lograr un control exquisito de la conversión de energía luminosa y generar 'macro movimiento' de estos materiales sin la necesidad de electricidad o cables, ", Dijo Omenetto.

Los investigadores programaron las películas de cristal fotónico aplicando plantillas y luego exponiéndolas al vapor de agua para generar patrones específicos. El patrón del agua superficial alteró la longitud de onda de la luz absorbida y reflejada de la película, haciendo así que el material se doble, doblar y girar de diferentes maneras, dependiendo de la geometría del patrón, cuando se expone a la luz láser.

Los autores demostraron en su estudio un "girasol fotónico, "con células solares integradas en la película bicapa para que las células siguieran la fuente de luz. El girasol fotónico mantuvo el ángulo entre las células solares y el rayo láser casi constante, maximizando la eficiencia de las células a medida que se movía la luz. El sistema funcionaría tan bien con luz blanca como con luz láser. Tan inalámbrico sensible a la luz, Los sistemas heliotrópicos (que siguen el sol) podrían mejorar potencialmente la eficiencia de conversión de luz en energía para la industria de la energía solar. Las demostraciones del material del equipo también incluyeron una mariposa cuyas alas se abrieron y cerraron en respuesta a la luz y una caja auto-plegable.