Новый жидкокристаллический материал может быть запрограммирован на перемещение в трех измерениях, открывая новые возможности для микрообработки.
Ученые с помощью воздействия магнитного поля создали микроскопические трехмерные полимерные формы, которые можно запрограммировать так, чтобы они перемещались в каком угодно направлении в трехмерном пространстве в ответ на многочисленные типы раздражителей, включая свет и тепло. Эту технологию можно применить для шифрования сообщений, в фотопанелях и интеллектуальных зданиях.
Лапки гекконов усеяны щетинками микроскопическими, похожими на волосы структурами, химический и физический состав которых и высокая гибкость позволяют ящерице легко удерживать себя на стене или потолке.
Ученые пытались воспроизвести такие динамические микроструктуры искусственно с различными материалами, включая жидкокристаллические эластомеры (LCE), которые представляют собой резиновые сети с присоединенными жидкокристаллическими группами, которые определяют направления, в которых LCE могут перемещаться и растягиваться.
До настоящего времени синтетические LCE в основном могли деформироваться только в одном или двух измерениях, ограничивая способность структур перемещаться в пространстве и принимать различные формы.
Но группа исследователей из Гарвардского института биологической инженерии в Виссе и Школы инженерных и прикладных наук им. Джона Полсона (SEAS) использовали магнитные поля для управления молекулярной структурой LCE и создания микроскопических трехмерных полимерных форм, которые могут быть запрограммированы на перемещение в любом направлении при воздействии множества типов раздражителей. При применении в солнечных панелях они помогут создать батареи, которые автоматически поворачиваются, следуя за солнцем. А это повысит количество улавливаемой солнечной энергии.
Микроструктуры, разработанные командой под руководством Юсина Яо и Джоанны Айзенберг, сделаны из LCE, сформированных в произвольные формы, которые могут изменяться под воздействием тепла, света и влажности, чья специфическая реконфигурация контролируется своими химическими и материальными свойствами.
Исследователи обнаружили, что, подвергая прекурсоры LCE воздействию магнитного поля во время их создания, все жидкокристаллические элементы внутри LCE тянулись вдоль магнитного поля и сохраняли такое построение после того, как полимер затвердевал. Изменяя направление магнитного поля во время этого процесса, ученые могли контролировать, как готовые формы LCE будут деформироваться при нагревании до температуры, которая нарушает ориентацию их жидкокристаллических структур. При возврате температуры окружающей среды деформированные структуры возобновили свое первоначальное состояние.
Такие запрограммированные изменения формы могут применяться для создания зашифрованных сообщений, которые обнаруживаются только при нагревании до определенной температуры, приводов для крошечных мягких роботов или клейких материалов, чьи свойства можно включать и выключать.
Также пластина LCE скручиваться, удлиняться или сжиматься.
Команда также смогла запрограммировать LCE для перенастройки в ответ на свет путем включения светочувствительных молекул вструктуру во время полимеризации. Затем, когда конструкция освещалась с определенного направления, и сторона, обращенная к свету, сжималась, в результате чего пластина изгибалась по направлению к свету.
Этот тип саморегулируемого движения позволяет LCE деформироваться в ответ на окружающую среду и постоянно менять форму, чтобы автоматически двигаться за светом. Или источником тепла.
Таким образом, в теории, можно создать фотопанели, покрытых этими микроструктурами, которые следуют за Солнцем, когда оно движется по небу, как подсолнух, что приводит к более эффективному улавливанию света. Эта технология может также послужить основой для автономных радиомодулей, многоуровневого шифрования, датчиков и интеллектуальных зданий.
Это исследование было поддержано Министерством энергетики и DARPA.