塔夫茨大學工程學院的研究人員創(chuàng)造了光激活的復合設備，能夠執(zhí)行精確的可見運動，并形成復雜的三維形狀，而不需要電線或其他執(zhí)行材料或能源。該設計結合了可編程光子晶體和彈性復合材料，可以在宏觀和納米尺度上進行工程設計，對照明作出反應。

該研究為智能光驅動系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的途徑，如可自動跟隨太陽光方向和角度的高效自對準太陽能電池、光驅動的微流體閥門或按需隨光移動的軟機器人。3月12日發(fā)表在《自然-通訊》上的一篇論文中，展示了一種 "光子向日葵"，它的花瓣向著和遠離照明的方向卷曲，它可以跟蹤光的路徑和角度。 

顏色是由光的吸收和反射產(chǎn)生的。在彩虹蝴蝶翅膀或蛋白石寶石的每一次閃光背后，都隱藏著復雜的相互作用，鑲嵌在翅膀或寶石中的天然光子晶體會吸收特定頻率的光，并反射其他頻率的光。光線與晶體表面相遇的角度會影響哪些波長被吸收，以及從吸收的能量中產(chǎn)生的熱量。

塔夫茨團隊設計的光子材料由兩層組成：一層是由摻有金納米顆粒（AuNPs）的絲纖維素制成的蛋白石狀薄膜，形成光子晶體，另一層是硅基聚合物聚二甲基硅氧烷（PDMS）的底層基材。除了具有顯著的柔韌性、耐久性和光學特性外，絲纖維素還具有不同尋常的負熱膨脹系數(shù)（CTE），這意味著它在加熱時收縮，冷卻時膨脹。與此相反，PDMS具有較高的CTE，加熱時迅速膨脹。因此，當新型材料暴露在光下時，一層的加熱速度比另一層快得多，因此材料在一側膨脹時彎曲，而另一側收縮或膨脹較慢。

通過這種方法，研究人員可以在多個尺度上對這些蛋白石類薄膜進行圖案設計，以設計它們吸收和反射光線的方式。當光線移動和吸收的能量數(shù)量發(fā)生變化時，材料的折疊和移動方式會因其與該光線的相對位置而有所不同。而大多數(shù)將光轉化為運動的光學機械裝置都涉及到復雜且耗能的制造或設置，現(xiàn)在這種方法能夠實現(xiàn)對光能轉換的精致控制，并在不需要任何電力或電線的情況下產(chǎn)生這些材料的宏觀運動。

研究人員通過應用模板對光子晶體薄膜進行編程，然后將它們暴露在水蒸氣中以產(chǎn)生特定的圖案。表面水的圖案改變了薄膜吸收和反射光的波長，從而使材料在暴露在激光光下時，根據(jù)圖案的幾何形狀，以不同的方式彎曲、折疊和扭曲。

作者在研究中展示了一種 "光子向日葵"，在雙層薄膜中集成了太陽能電池，使電池跟蹤光源。光子向日葵使太陽能電池和激光束之間的角度幾乎保持不變，當光線移動時，細胞的效率最大化。該系統(tǒng)在使用白光時和在使用激光時一樣能正常工作。這種無線、光響應、日向系統(tǒng)有可能提高太陽能產(chǎn)業(yè)的光能轉換效率。該團隊對該材料的演示還包括一只翅膀隨光開合的蝴蝶和一個自動折疊的盒子。

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