技术为智能太阳能电池以及其他在宏观和纳米尺度上编程的高效设备铺平了道路

时间：2021-06-08 15:22:48 来源：

塔夫茨大学工程学院的研究人员创造了光激活复合设备，能够执行精确、可见的运动并形成复杂的 3D 形状，而无需电线或其他驱动材料或能源。该设计将可编程光子晶体与弹性复合材料相结合，可以在宏观和纳米尺度上进行设计以响应照明。

该研究为智能光驱动系统的开发提供了新途径，例如自动跟随太阳方向和光线角度的高效、自对准太阳能电池、光驱动微流体阀或按需随光移动的软机器人.一种“光子向日葵”的花瓣朝向和远离照明卷曲并跟踪光的路径和角度，在 2021 年 3 月 12 日发表在《自然通讯》上的一篇论文中展示了该技术。

颜色是由光的吸收和反射产生的。彩虹蝴蝶翅膀或蛋白石宝石的每一次闪光背后都隐藏着复杂的相互作用，其中嵌入翅膀或石头中的天然光子晶体吸收特定频率的光并反射其他光。光与晶体表面相遇的角度会影响吸收哪些波长以及从吸收的能量中产生的热量。

Tufts 团队设计的光子材料连接了两层：由掺有金纳米粒子 (AuNPs) 的丝素蛋白制成的蛋白石状薄膜，形成光子晶体，以及底层的聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 基材，一种硅基聚合物。除了卓越的柔韧性、耐用性和光学特性外，丝素蛋白还具有负热膨胀系数 (CTE)，这意味着它在加热时会收缩，在冷却时会膨胀。相比之下，PDMS 具有高 CTE，并且在加热时会迅速膨胀。结果，当新材料暴露在光线下时，一层比另一层加热得更快，因此材料会随着一侧膨胀而弯曲，而另一侧则收缩或膨胀得更慢。

“通过我们的方法，我们可以在多个尺度上对这些蛋白石状薄膜进行图案化，以设计它们吸收和反射光的方式。当光移动并且吸收的能量发生变化时，材料会根据其不同的方式折叠和移动。该研究的通讯作者、塔夫茨大学弗兰克·C·多布尔工程教授菲奥伦佐·奥梅内托说。

大多数将光转换为运动的光机械设备都涉及复杂且耗能的制造或设置，“我们能够实现对光能转换的精细控制，并在不需要任何电力或电线的情况下产生这些材料的‘宏观运动’， “奥梅内托说。

研究人员通过应用模板对光子晶体薄膜进行编程，然后将它们暴露在水蒸气中以生成特定的图案。地表水的图案改变了薄膜吸收和反射光的波长，从而导致材料在暴露于激光时以不同的方式弯曲、折叠和扭曲，具体取决于图案的几何形状。

作者在他们的研究中展示了一种“光子向日葵”，在双层膜中集成了太阳能电池，以便电池跟踪光源。光子向日葵使太阳能电池和激光束之间的角度几乎保持不变，随着光的移动最大限度地提高了电池的效率。该系统在白光和激光下都能正常工作。这种无线、光响应、向日葵(太阳跟随)系统可能会提高太阳能行业的光能转换效率。该团队对该材料的演示还包括一只蝴蝶，它的翅膀会根据光线打开和关闭，以及一个自动折叠的盒子。

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