Hãy tưởng tượng một người trên mặt đất hướng dẫn một chiếc máy bay không người lái khai thác năng lượng của nó từ chùm tia laze, loại bỏ nhu cầu mang theo cục pin cồng kềnh trên máy bay.
Tín dụng: Đại học Colorado tại Boulder
Đó là tầm nhìn của một nhóm các nhà khoa học thuộc Đại học Colorado tại Boulder thuộc Nhóm nghiên cứu Hayward.
Trong một nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu của Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học đã phát triển một vật liệu quang cơ mới và đàn hồi, có thể biến đổi năng lượng ánh sáng thành công cơ học mà không cần nhiệt hoặc điện, mang lại khả năng đổi mới cho các hệ thống điều khiển từ xa, không dây và tiết kiệm năng lượng. Tiềm năng rộng lớn của nó trải rộng trên nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm robot, hàng không vũ trụ và thiết bị y sinh.
Giáo sư Ryan Hayward cho biết: “Có thể nói, chúng tôi đã loại bỏ người trung gian và lấy năng lượng ánh sáng và biến nó trực tiếp thành biến dạng cơ học”.
Hayward và nhóm của ông mô tả vật liệu mới trong một báo cáo được công bố ngày 27 tháng 7 trên tạp chí Nature Materials .
Vật liệu này bao gồm các tinh thể hữu cơ nhỏ bắt đầu uốn cong và nâng mọi thứ khi tiếp xúc với ánh sáng. Nghiên cứu cho thấy những vật liệu quang cơ này mang lại giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho các bộ truyền động có dây điện, với tiềm năng điều khiển không dây hoặc cung cấp năng lượng cho robot hoặc phương tiện giao thông. Ngoài ra, việc nâng cao hiệu quả chuyển đổi trực tiếp ánh sáng thành công mang lại tiềm năng tránh được các hệ thống quản lý nhiệt cồng kềnh cũng như các bộ phận điện nặng.
Nghiên cứu này trái ngược với những nỗ lực trước đây liên quan đến chất rắn kết tinh mỏng manh thay đổi hình dạng thông qua phản ứng quang hóa, nhưng thường bị nứt khi tiếp xúc với ánh sáng và gặp khó khăn trong việc xử lý thành các bộ truyền động hữu ích.
"Điều thú vị là những bộ truyền động mới này tốt hơn nhiều so với những bộ truyền động chúng tôi có trước đây. Chúng phản ứng nhanh, bền bỉ và có thể nâng được những vật nặng."
Cách tiếp cận đổi mới của Phòng thí nghiệm Hayward liên quan đến việc sử dụng các mảng tinh thể hữu cơ nhỏ bên trong vật liệu polyme giống như miếng bọt biển do có các lỗ nhỏ. Khi các tinh thể phát triển bên trong các lỗ có kích thước micron của polyme, độ bền và khả năng sản xuất năng lượng của chúng khi tiếp xúc với ánh sáng được tăng cường đáng kể. Tính linh hoạt và dễ tạo hình của chúng khiến chúng rất linh hoạt cho nhiều ứng dụng.
Sự định hướng của các tinh thể cho phép chúng thực hiện các nhiệm vụ khi tiếp xúc với ánh sáng, chẳng hạn như uốn cong hoặc nâng vật thể. Khi vật liệu thay đổi hình dạng khi có tải gắn vào, nó hoạt động giống như một động cơ hoặc bộ truyền động và di chuyển tải. Các tinh thể có thể di chuyển các vật thể lớn hơn chúng rất nhiều. Ví dụ, như trong hình trên, dải tinh thể 0,02 mg đã nâng thành công một quả bóng nylon 20 mg, nâng khối lượng gấp 1.000 lần khối lượng của chính nó.
Các nhà nghiên cứu của CU Boulder còn bao gồm tác giả chính Wenwen Xu, một cựu nhà nghiên cứu sau tiến sĩ trong nhóm của Hayward, (hiện thuộc Đại học Tứ Xuyên-Pittsburgh Institute) và Hantao Zhou (hiện thuộc Western Digital), một trong những nghiên cứu sinh của Hayward. Công việc còn có sự tham gia của các cộng tác viên tại Đại học California Riverside và Đại học Stanford.
Nhìn về phía trước, nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu nâng cao khả năng kiểm soát chuyển động của vật liệu. Hiện nay vật liệu chỉ có thể chuyển từ trạng thái phẳng sang trạng thái cong bằng cách uốn cong và sau đó không uốn cong. Mục tiêu của họ cũng là tăng hiệu quả, tối đa hóa lượng năng lượng cơ học được tạo ra so với năng lượng ánh sáng đầu vào.
Hayward nói: “Chúng tôi vẫn còn một chặng đường dài phía trước, đặc biệt là về mặt hiệu quả, trước khi những vật liệu này thực sự có thể cạnh tranh với các bộ truyền động hiện có”. "Nhưng nghiên cứu này là một bước quan trọng theo đúng hướng và đưa ra lộ trình để chúng ta có thể đạt được điều đó trong những năm tới."
