Licht

Forscher haben ein neuartiges Material aus winzigen organischen Kristallen entwickelt, die Licht in eine beträchtliche mechanische Kraft umwandeln, die in der Lage ist, das Tausendfache ihrer eigenen Masse anzuheben. Ohne den Bedarf an Wärme oder Strom könnte das fotomechanische Material eines Tages drahtlose, ferngesteuerte Systeme antreiben, die Roboter und Fahrzeuge antreiben.

Photomechanische Materialien sollen Licht direkt in mechanische Kraft umwandeln. Sie resultieren aus einem komplexen Zusammenspiel von Photochemie, Polymerchemie, Physik, Mechanik, Optik und Ingenieurwesen. Photomechanische Aktuatoren, der Teil einer Maschine, der dabei hilft, physische Bewegungen auszuführen, erfreuen sich zunehmender Beliebtheit, da eine externe Steuerung einfach durch die Manipulation der Lichtverhältnisse erreicht werden kann.

Forscher der University of Colorado, Boulder, haben den nächsten Schritt in der Entwicklung fotomechanischer Materialien getan und eine winzige organische Kristallanordnung geschaffen, die Objekte biegt und anhebt, die viel schwerer sind als sie selbst.

„Wir schalten sozusagen den Mittelsmann aus, nehmen Lichtenergie und wandeln sie direkt in mechanische Verformung um“, sagte Ryan Hayward, der korrespondierende Autor der Studie.

Ein Problem bei photochemischen Materialien besteht darin, Bewegungen auf molekularer Ebene zu nutzen, um eine großräumige mechanische Reaktion zu erzeugen, was normalerweise erfordert, dass reaktive Moleküle so organisiert sind, dass sie alle in die gleiche Richtung drücken. Dies wird üblicherweise durch die Verwendung eines geordneten Wirtsmaterials wie eines Flüssigkristallpolymers oder durch die geordnete Selbstorganisation von Molekülen zu einem Kristall erreicht.

Die Forscher wollten die Probleme vermeiden, die bei früheren photomechanischen Materialien mit kristallinen Feststoffen beobachtet wurden, die als Reaktion auf eine photochemische Reaktion ihre Form ändern: Sie brachen oft, wenn sie Licht ausgesetzt wurden, und ließen sich nur schwer zu nützlichen Aktuatoren verarbeiten. Daher verwendeten sie als photoaktive Komponente Anordnungen winziger organischer Diarylethen-Kristalle, die in ein Polymermaterial (Polyethylenterephthalat, PET) mit mikrometergroßen Poren eingebettet waren.

Da die Kristalle in den Poren wuchsen, wurden ihre Haltbarkeit und Energieproduktion bei Lichteinwirkung deutlich verbessert. Darüber hinaus verhinderte die Eingrenzung der photomechanischen Kristalle in den Poren, dass sie bei Lichteinwirkung brechen. Das Verbundmaterial konnte um 180° gebogen werden, ohne zu brechen oder seine photomechanische Reaktion zu beeinträchtigen, und erfuhr beim Wechsel zwischen UV- und sichtbarem Licht eine reversible Biegung und Entbiegung. Und die Kristalle waren in der Lage, Licht ohne Wärme oder Strom in mechanische Arbeit umzuwandeln.

Die Forscher machten mit Experimenten zum Gewichtheben weiter, um zu sehen, wie viel die photomechanischen Kristalle heben konnten. Sie fanden heraus, dass die Kristalle, wenn sie ihre Form änderten, während eine Last angebracht war, wie ein Aktuator wirkten und die Last bewegten. Die 0,02-mg-Kristallanordnung war in der Lage, eine 20-mg-Nylonkugel anzuheben – das ist das 1.000-fache ihrer eigenen Masse.

„Das Spannende ist, dass diese neuen Aktuatoren viel besser sind als die, die wir zuvor hatten“, sagte Hayward. „Sie reagieren schnell, halten lange und können schwere Dinge heben.“

Die Forscher sagen, dass die Flexibilität und einfache Formbarkeit das fotochemische Material in einer Reihe von Anwendungen einsetzbar macht, etwa als Ersatz für elektrisch verkabelte Aktuatoren in Robotern und Fahrzeugen oder als Antrieb für Drohnen durch Laserstrahlen anstelle einer sperrigen Batterie. Doch zunächst müssen die Forscher noch einiges tun.

In Zukunft wollen sie eine bessere Kontrolle über die Bewegung des Materials erreichen, das derzeit nur durch Biegen und Entbiegen von einem flachen in einen gebogenen Zustand übergehen kann. Sie hoffen auch, die Effizienz zu steigern, indem die Menge der erzeugten mechanischen Energie im Vergleich zur zugeführten Lichtenergie maximiert wird.

„Wir haben noch einen weiten Weg vor uns, insbesondere im Hinblick auf die Effizienz, bis diese Materialien wirklich mit bestehenden Aktuatoren konkurrieren können“, sagte Hayward. „Aber diese Studie ist ein wichtiger Schritt in die richtige Richtung und gibt uns einen Fahrplan dafür, wie wir in den kommenden Jahren dorthin gelangen können.“

Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht.

Quelle: University of Colorado Boulder

Anmerkung des Herausgebers (22. August 2023): In diesem Artikel hieß es ursprünglich, das Material sei „in der Lage, das 10.000-fache seiner eigenen Masse zu heben“. Es hätte lauten sollen: „1.000-fache seiner eigenen Masse“. Wir entschuldigen uns aufrichtig für den Fehler, der nun behoben wurde.