ライト

研究者らは、光を自身の質量の1,000倍を持ち上げることができる大きな機械力に変換する小さな有機結晶を使用した新しい材料を開発した。 熱や電気を必要とせずに、この写真製版材料は、いつかロボットや車両に動力を供給する無線遠隔制御システムを駆動できるようになるでしょう。

写真製版材料は、光を直接機械的な力に変換するように設計されています。 これらは、光化学、高分子化学、物理学、力学、光学、工学の間の複雑な相互作用から生まれます。 写真製版アクチュエーターは、物理的な動きを達成するのに役立つ機械の一部であり、光の条件を操作するだけで外部制御を実現できるため、人気が高まっています。

コロラド大学ボルダー校の研究者らは、写真製版材料の開発で次のステップを踏み出し、それ自体よりもはるかに重い物体を曲げたり持ち上げたりする小さな有機結晶アレイを作成した。

「私たちはいわば仲介者を排除し、光エネルギーを取り出して直接機械的変形に変換します」とこの研究の責任著者であるライアン・ヘイワード氏は述べた。

光化学材料の問題は、分子レベルの動きを利用して大規模な機械的応答を生成することですが、これには通常、反応性分子がすべて同じ方向に進むように組織化する必要があります。 これは通常、液晶ポリマーなどの規則的なホスト材料を使用するか、分子の結晶への規則的な自己集合を使用することによって達成されます。

研究者らは、光化学反応に応じて形状が変化する結晶固体を使用したこれまでの写真製版材料で見られた問題を回避したいと考えていました。光にさらされると割れることが多く、有用なアクチュエーターに加工するのが困難でした。 そこで彼らは、光活性成分として有機ジアリールエテン由来の小さな結晶のアレイを使用し、ミクロンサイズの細孔を持つポリマー材料（ポリエチレンテレフタレート、PET）内に配置しました。

結晶が細孔内で成長するにつれて、光にさらされたときの耐久性とエネルギー生成が大幅に強化されました。 さらに、写真製版結晶を細孔内に拘束することで、露光時に結晶が破損するのを防ぎました。 この複合材料は、写真製版応答を壊したり犠牲にしたりすることなく 180 度まで曲げることができ、UV 光と可視光を交互に照射すると可逆的な曲げと曲げの解除が可能でした。 そして、結晶は熱や電気を使わずに光を機械的な働きに変換することができました。

研究者らは、写真製版結晶がどれだけ持ち上げられるかを確認するために、重量挙げの実験に移った。 彼らは、負荷が取り付けられた状態で結晶の形状が変化すると、結晶がアクチュエータのように機能して負荷を移動させることを発見しました。 0.02 mg の結晶アレイは、自身の質量の 1,000 倍である 20 mg のナイロン ボールを持ち上げることができました。

「興味深いのは、これらの新しいアクチュエータが以前のものよりもはるかに優れているということです」とヘイワード氏は言います。 「反応が早く、長持ちし、重いものを持ち上げることができます。」

研究者らは、光化学材料は柔軟性と成形の容易さにより、ロボットや車両の電気配線アクチュエーターの代替や、かさばるバッテリーの代わりにレーザービームでドローンに電力を供給するなど、さまざまな用途に使用できると述べている。 しかし、研究者らには最初にやるべきことがまだいくつかある。

将来的には、材料の動きをより細かく制御できるようにすることを目指しているが、現時点では、材料を曲げたり戻したりすることによってのみ、平らな状態から湾曲した状態に移行することができる。 彼らはまた、効率を高めて、光エネルギー入力と比較して生成される機械エネルギーの量を最大化したいと考えています。

「これらの材料が既存のアクチュエータと実際に競合できるようになるまでには、特に効率の点でまだ道はあります」とヘイワード氏は述べた。 「しかし、この研究は正しい方向への重要な一歩であり、今後数年間でどのようにしてそこに到達できるかについてのロードマップを与えてくれます。」

この研究はNature Materials誌に掲載された。