La technologie ouvre la voie à des cellules solaires intelligentes, d’autres appareils hautement efficaces programmés à l’échelle macro et nanométrique –
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Des chercheurs de l’école d’ingénierie de l’Université Tufts ont créé des dispositifs composites activés par la lumière capables d’exécuter des mouvements précis et visibles et de former des formes tridimensionnelles complexes sans avoir besoin de fils ou d’autres matériaux d’actionnement ou de sources d’énergie. La conception combine des cristaux photoniques programmables avec un composite élastomère qui peut être conçu à l’échelle macro et nanométrique pour répondre à l’éclairage.
La recherche offre de nouvelles voies pour le développement de systèmes intelligents pilotés par la lumière, tels que des cellules solaires à haute efficacité et auto-alignantes qui suivent automatiquement la direction et l’angle de la lumière du soleil, des vannes microfluidiques actionnées par la lumière ou des robots souples qui se déplacent avec la lumière à la demande. . Un «tournesol photonique», dont les pétales s’enroulent vers et à l’écart de l’éclairage et qui suit le chemin et l’angle de la lumière, démontre la technologie dans un article paru le 12 mars 2021 dans Communications de la nature.
La couleur résulte de l’absorption et de la réflexion de la lumière. Derrière chaque éclair d’une aile de papillon irisée ou d’une pierre précieuse d’opale se cachent des interactions complexes dans lesquelles les cristaux photoniques naturels intégrés dans l’aile ou la pierre absorbent la lumière de fréquences spécifiques et en réfléchissent d’autres. L’angle auquel la lumière rencontre la surface cristalline peut affecter les longueurs d’onde absorbées et la chaleur générée par cette énergie absorbée.
Le matériau photonique conçu par l’équipe Tufts réunit deux couches: un film de type opale fait de fibroïne de soie dopée avec des nanoparticules d’or (AuNPs), formant des cristaux photoniques, et un substrat sous-jacent de polydiméthylsiloxane (PDMS), un polymère à base de silicium. En plus d’une flexibilité, d’une durabilité et de propriétés optiques remarquables, la fibroïne de soie est inhabituelle en ce qu’elle a un coefficient de dilatation thermique négatif (CTE), ce qui signifie qu’elle se contracte lorsqu’elle est chauffée et qu’elle se dilate lorsqu’elle est refroidie. Le PDMS, en revanche, a un CTE élevé et se dilate rapidement lorsqu’il est chauffé. En conséquence, lorsque le nouveau matériau est exposé à la lumière, une couche chauffe beaucoup plus rapidement que l’autre, de sorte que le matériau se plie lorsqu’un côté se dilate et que l’autre se contracte ou se dilate plus lentement.
«Grâce à notre approche, nous pouvons modeler ces films de type opale à plusieurs échelles pour concevoir la façon dont ils absorbent et réfléchissent la lumière. Lorsque la lumière bouge et que la quantité d’énergie absorbée change, le matériau se plie et se déplace différemment en fonction de son position relative à cette lumière », a déclaré Fiorenzo Omenetto, auteur correspondant de l’étude et professeur Frank C. Doble d’ingénierie à Tufts.
Alors que la plupart des dispositifs optomécaniques qui convertissent la lumière en mouvement impliquent une fabrication ou des configurations complexes et gourmandes en énergie, «nous sommes en mesure d’obtenir un contrôle exquis de la conversion de l’énergie lumineuse et de générer un ‘macro mouvement’ de ces matériaux sans avoir besoin d’électricité ou de fils, “Dit Omenetto.
Les chercheurs ont programmé les films de cristal photonique en appliquant des pochoirs, puis en les exposant à la vapeur d’eau pour générer des motifs spécifiques. Le motif de l’eau de surface modifiait la longueur d’onde de la lumière absorbée et réfléchie du film, provoquant ainsi le pliage, le pliage et la torsion du matériau de différentes manières, en fonction de la géométrie du motif, lorsqu’il était exposé à la lumière laser.
Les auteurs ont démontré dans leur étude un «tournesol photonique», avec des cellules solaires intégrées dans le film bicouche afin que les cellules suivent la source de lumière. Le tournesol photonique a maintenu l’angle entre les cellules solaires et le faisceau laser presque constant, maximisant l’efficacité des cellules lorsque la lumière se déplaçait. Le système fonctionnerait aussi bien avec la lumière blanche qu’avec la lumière laser. De tels systèmes héliotropiques sans fil, sensibles à la lumière (suivi du soleil) pourraient potentiellement améliorer l’efficacité de la conversion lumière-énergie pour l’industrie de l’énergie solaire. Les démonstrations du matériau par l’équipe comprenaient également un papillon dont les ailes s’ouvraient et se fermaient en réponse à la lumière et une boîte auto-pliante.
Source de l’histoire:
Matériaux fourni par Université Tufts. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.
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