211service.com
Smarta kristaller
Forskare i Japan har upptäckt organiska kristaller som ändrar form när de belyses med ultraviolett ljus och sedan återgår till sin ursprungliga form under synligt ljus. I en 11 april Natur papper visar de att kristallerna kan gå fram och tillbaka mellan de två olika formerna upp till 100 gånger innan de spricker. Kristallerna kan leda till små maskiner som drivs av ljus, liknande dagens mikroelektromekaniska system som används i mikrofluidikchips och optiska kommunikationssystem, som drivs av elektricitet.
Nanokraft: En tunn morrhår av kristall böjer sig när den utsätts för ultraviolett ljus och trycker en guldpartikel (sett som en svart fläck) 90 gånger sin vikt 30 mikrometer. Lysande synligt ljus på kristallen rätar upp den.
Forskarna, med ledning av Masahiro Irie , en kemiprofessor vid Kyushu University, i Fukuoka, lyser växelvis ultraviolett och synligt ljus på en rektangulär kristall för att få den att dra ihop sig och sedan sträcka sig tillbaka till sin ursprungliga längd. De har också skapat en stavformad kristall som de kunde böja och sedan räta upp så många som 80 gånger. När den böjs kan staven trycka en guldmikropartikel, som är 90 gånger tyngre än kristallen, genom ett avstånd på 30 mikrometer.
Tidigare uppfann Irie en typ av organisk molekyl som ändrar färg som svar på ljus; han beskrev det först i mitten av 1980-talet. När han studerade enstaka kristaller av dessa molekyler fann hans forskargrupp att kristallerna också ändrar form. Vi var [mycket] glada över att se den fotoinducerade formförändringen för första gången, säger Irie.
Vissa polymerer och glas är kända för att ändra form när de utsätts för ljus. Men det här är första gången forskare har sett effekten i kristaller, säger Tomiki Ikeda , professor i polymerkemi vid Tokyo Institute of Technology. Deras regelbundna struktur kan göra formförändrande kristaller användbara i olika applikationer. Det betyder att man kan framkalla en exakt förändring i formen, säger Ikeda. Varje gång kommer du att ha samma förändring i form vid exponering för samma ljus med samma intensitet ... vilket är mycket viktigt för exakt kontroll av mekaniskt arbete i mikrometerstora enheter.
Till exempel skulle kristallerna kunna inkorporeras i mikrofluidikchips för att driva små volymer vätska genom smala kanaler; vätskor flyttas för närvarande med spänning eller tryck från externa pumpar. Det är mycket trevligare om du kunde göra det med ljus istället för att ansluta elektroder eller applicera värme på det, något som kanske skulle störa processen du försöker kontrollera, säger Mark Warner , en teoretisk fysiker vid Cambridge University som studerar formförändrande material.
Formförändrande kristaller skulle också kunna användas i nästa generations switchar i fiberoptiska kommunikationssystem. I dessa system går datapaket som färdas från en punkt till en annan genom flera nav där de växlas till rätt rutt. För närvarande omvandlas ljuspulser till elektriska signaler för omkoppling, men snabba nästa generations switchar kan använda mikroskopiska speglar för att reflektera ljuset från en optisk fiber till en annan. Kristallerna kunde användas för att flytta speglarna.
De formförändrande kristallerna har några andra fördelar jämfört med polymerer och glas för användning i mikromekaniska applikationer eftersom de reagerar på ljus relativt snabbt och med betydande förändringar. De visar en mycket mer dramatisk effekt än vad som finns i andra material, säger de J. Michael McBride , en organisk kemiprofessor vid Yale University, i New Haven, CT. Kristallerna reagerar på ljus snabbare än polymerer gör, omvandlas på 25 mikrosekunder medan polymerer tar några sekunder. Och de genomgår mer deformation än glasögon. Den rektangulära kristallen, till exempel, drar ihop sig med 5 till 7 procent av sin längd, medan glasartade molekyler förändras med cirka 2 procent. Men Warner påpekar att även om polymerer är långsammare att svara, visar vissa gummiartade polymerer mer än 100 procent deformation, så de kan vara mer användbara. Det beror på vilken applikation du har i åtanke.
Irie berättar att hans forskargrupp nu försöker förbereda olika typer av kristaller som skulle kunna hantera formförändringar många fler än 100 gånger utan att spricka. Teamet designar också nya sammansättningar som visar olika typer av formförändringar, som att gå från en stavform till en plåtform.