Магия света: крошечные кристаллы, обладающие невероятной силой

Ученые представили миру необычный материал: крошечные органические кристаллы могут превращать свет в механическую силу. А еще удивительно, что этот фотомеханический материал способен поднимать предметы, вес которых в 10 000 раз превышает его собственный. И самое главное — вся эта мощь обходится без использования тепла или электричества.


Фотомеханические материалы созданы для того, чтобы свет превращался непосредственно в движение. Это — результат сложного взаимодействия физики, химии, оптики и других наук. Фотомеханические приводы, в основе которых лежит управление освещением, пользуются все большей популярностью.

Исследователи из Университета Колорадо в Боулдере совершили небывалый прорыв в разработке таких приводов. Новый материал представляет собой крошечные органические кристаллы, которые могут исполнять настоящие чудеса. Они способны гнуться и поднимать предметы гораздо тяжелее самого себя. Перспективы практического применения такого материала невероятны.

Сочетание фотохимии, химии полимеров, физики и механики в фотомеханическом материале позволяет генерировать механический отклик на молекулярном уровне. До недавнего времени это требовало организации особых условий, чтобы молекулы двигались в нужном направлении. Обычно для этого использовались жидкие кристаллические полимеры или упорядоченные молекулярные кристаллы.

Однако ранее разработанные фотомеханические материалы имели свои ограничения. Они использовали кристаллические твердые вещества, которые меняли свою форму в ответ на фотохимическую реакцию. Но эти материалы часто трескались под воздействием света и не могли служить полностью функциональными приводами. Именно эти проблемы решили ученые из Университета Колорадо.

Они использовали вместо крупных кристаллов массивы крошечных органических кристаллов. Кристаллы получили из диаритена и внедрили в полимерный материал с порами размером с микрон. Это решение стало настоящим прорывом.

Кристаллы вырастали внутри пор, что сделало их прочнее и повысило производство энергии при воздействии света. Поры защищали кристаллы от трещин при освещении. Композитный материал можно сгибать без ущерба для его фотомеханических свойств — он способен выдержать изгиб до 180° и оставаться работоспособным. Кристаллы также позволяют преобразовывать свет в механическую работу без использования тепла и электричества.

Изучая возможности фотомеханических кристаллов, исследователи провели эксперименты, связанные с поднятием тяжестей, чтобы проверить их работоспособность. И результаты оказались поразительными. Кристаллическая матрица весом всего 0,02 мг смогла поднять нейлоновый шарик весом 20 мг. Это великолепное достижение, поскольку вес шарика в 10 000 раз превышает вес кристаллической матрицы.


— руководитель исследовательской группы, Райан Хейворд.

Разработчики считают, что изобретенный ими фотомеханический материал обладает огромным потенциалом и может быть использован во многих областях. Например, он может заменить электроприводы в роботах и транспортных средствах или стать альтернативой громоздким батареям для питания дронов с помощью лазеров. Однако у ученых еще остается много работы, чтобы довести свою разработку до совершенства. Они хотят получить больший контроль над движением материала и повысить его эффективность. Исследование было опубликовано в журнале Nature Materials.