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I ricercatori hanno sviluppato un nuovo materiale utilizzando minuscoli cristalli organici che convertono la luce in una forza meccanica sostanziale in grado di sollevare 1.000 volte la propria massa. Senza la necessità di calore o elettricità, il materiale fotomeccanico potrebbe un giorno alimentare sistemi wireless e telecomandati che alimentano robot e veicoli.

I materiali fotomeccanici sono progettati per trasformare la luce direttamente in forza meccanica. Sono il risultato di una complessa interazione tra fotochimica, chimica dei polimeri, fisica, meccanica, ottica e ingegneria. Gli attuatori fotomeccanici, la parte di una macchina che aiuta a eseguire movimenti fisici, stanno guadagnando popolarità perché il controllo esterno può essere ottenuto semplicemente manipolando le condizioni di luce.

I ricercatori dell’Università del Colorado, Boulder, hanno fatto il passo successivo nello sviluppo di materiali fotomeccanici, creando una minuscola matrice di cristalli organici che piega e solleva oggetti molto più pesanti di se stessa.

"Abbiamo eliminato l'intermediario, per così dire, e preso l'energia luminosa e trasformata direttamente in deformazione meccanica", ha detto Ryan Hayward, l'autore corrispondente dello studio.

Un problema con i materiali fotochimici è sfruttare i movimenti a livello molecolare per generare una risposta meccanica su larga scala, che in genere richiede che le molecole reattive siano organizzate in modo che spingano tutte nella stessa direzione. Ciò si ottiene comunemente utilizzando un materiale ospite ordinato come un polimero a cristalli liquidi o utilizzando l'autoassemblaggio ordinato di molecole in un cristallo.

I ricercatori volevano evitare i problemi riscontrati con i precedenti materiali fotomeccanici che utilizzavano solidi cristallini che cambiano forma in risposta a una reazione fotochimica: spesso si rompevano se esposti alla luce ed erano difficili da trasformare in attuatori utili. Quindi, hanno utilizzato matrici di minuscoli cristalli organici derivati ​​dal diariletene come componente fotoattivo, incastonati all’interno di un materiale polimerico (polietilene tereftalato, PET) con pori di dimensioni micron.

Man mano che i cristalli crescevano all’interno dei pori, la loro durabilità e produzione di energia, se esposti alla luce, aumentavano in modo significativo. Inoltre, vincolare i cristalli fotomeccanici all’interno dei pori ha impedito che si fratturassero in seguito all’esposizione alla luce. Il materiale composito poteva essere piegato a 180° senza rompersi o sacrificare la sua risposta fotomeccanica ed è stato sottoposto a piegatura e inflessione reversibili alternando luce UV e luce visibile. E i cristalli erano in grado di convertire la luce in lavoro meccanico senza calore o elettricità.

I ricercatori sono passati agli esperimenti di sollevamento pesi per vedere quanto potevano sollevare i cristalli fotomeccanici. Hanno scoperto che quando i cristalli cambiavano forma con un carico attaccato, si comportavano come un attuatore e spostavano il carico. La matrice di cristalli da 0,02 mg è stata in grado di sollevare una sfera di nylon da 20 mg, ovvero 1.000 volte la sua stessa massa.

"La cosa interessante è che questi nuovi attuatori sono molto migliori di quelli che avevamo prima", ha detto Hayward. "Rispondono rapidamente, durano a lungo e possono sollevare oggetti pesanti."

I ricercatori affermano che la flessibilità e la facilità di modellatura rendono il materiale fotochimico utilizzabile in una vasta gamma di applicazioni, come la sostituzione di attuatori cablati elettricamente in robot e veicoli o l’alimentazione di droni tramite raggi laser invece di una batteria ingombrante. Ma prima i ricercatori hanno ancora del lavoro da fare.

Andando avanti, mirano a ottenere un maggiore controllo sul movimento del materiale, che, al momento, può passare solo da uno stato piatto a uno stato curvo piegandosi e incurvandosi. Sperano anche di aumentare l’efficienza, massimizzando la quantità di energia meccanica prodotta rispetto all’energia luminosa immessa.

"Abbiamo ancora molta strada da fare, soprattutto in termini di efficienza, prima che questi materiali possano davvero competere con gli attuatori esistenti", ha affermato Hayward. “Ma questo studio è un passo importante nella giusta direzione e ci fornisce una tabella di marcia su come potremmo arrivare a questo obiettivo nei prossimi anni”.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Materials.