Luz

Os pesquisadores desenvolveram um novo material usando minúsculos cristais orgânicos que convertem a luz em uma força mecânica substancial, capaz de elevar 1.000 vezes a sua própria massa. Sem a necessidade de calor ou eletricidade, o material fotomecânico poderá um dia acionar sistemas sem fio controlados remotamente que alimentam robôs e veículos.

Os materiais fotomecânicos são projetados para transformar a luz diretamente em força mecânica. Eles resultam de uma interação complexa entre fotoquímica, química de polímeros, física, mecânica, óptica e engenharia. Os atuadores fotomecânicos, a parte de uma máquina que ajuda a realizar movimentos físicos, estão ganhando popularidade porque o controle externo pode ser alcançado simplesmente pela manipulação das condições de luz.

Pesquisadores da Universidade do Colorado, em Boulder, deram o próximo passo no desenvolvimento de materiais fotomecânicos, criando um pequeno conjunto de cristais orgânicos que dobra e levanta objetos muito mais pesados ​​que ele mesmo.

“Eliminamos o intermediário, por assim dizer, e pegamos a energia da luz e a transformamos diretamente em deformação mecânica”, disse Ryan Hayward, autor correspondente do estudo.

Um problema com materiais fotoquímicos é aproveitar os movimentos em nível molecular para gerar uma resposta mecânica em grande escala, o que normalmente requer que as moléculas reativas sejam organizadas de modo que todas empurrem na mesma direção. Isto é comumente conseguido usando um material hospedeiro ordenado, como um polímero de cristal líquido, ou usando a automontagem ordenada de moléculas em um cristal.

Os pesquisadores queriam evitar os problemas observados com materiais fotomecânicos anteriores que usavam sólidos cristalinos que mudam de forma em resposta a uma reação fotoquímica: eles frequentemente rachavam quando expostos à luz e eram difíceis de processar em atuadores úteis. Então, eles usaram matrizes de minúsculos cristais orgânicos derivados de diarileteno como componente fotoativo, inseridos em um material polimérico (tereftalato de polietileno, PET) com poros de tamanho micrométrico.

À medida que os cristais cresciam dentro dos poros, a sua durabilidade e produção de energia, quando expostos à luz, aumentavam significativamente. Além disso, restringir os cristais fotomecânicos dentro dos poros evitou que eles se fraturassem após a exposição à luz. O material compósito pode ser dobrado a 180° sem quebrar ou sacrificar sua resposta fotomecânica e sofreu flexão e flexão reversíveis ao alternar entre luz UV e visível. E os cristais foram capazes de converter luz em trabalho mecânico sem calor ou eletricidade.

Os pesquisadores passaram para experimentos de levantamento de peso para ver quanto os cristais fotomecânicos poderiam levantar. Eles descobriram que quando os cristais mudavam de forma com uma carga anexada, eles agiam como um atuador e moviam a carga. O conjunto de cristais de 0,02 mg foi capaz de levantar uma bola de náilon de 20 mg – isso é 1.000 vezes a sua própria massa.

“O que é interessante é que esses novos atuadores são muito melhores do que os que tínhamos antes”, disse Hayward. “Eles respondem rapidamente, duram muito tempo e podem levantar coisas pesadas.”

Os pesquisadores dizem que a flexibilidade e a facilidade de modelagem tornam o material fotoquímico utilizável em uma variedade de aplicações, como a substituição de atuadores elétricos em robôs e veículos ou a alimentação de drones por raios laser em vez de uma bateria volumosa. Mas os pesquisadores têm mais trabalho a fazer primeiro.

No futuro, o objetivo é obter maior controle sobre o movimento do material, que, atualmente, só pode passar de um estado plano para um estado curvo por meio de flexão e flexão. Eles também esperam aumentar a eficiência, maximizando a quantidade de energia mecânica produzida em comparação com a entrada de energia luminosa.

“Ainda temos um longo caminho a percorrer, especialmente em termos de eficiência, antes que esses materiais possam realmente competir com os atuadores existentes”, disse Hayward. “Mas este estudo é um passo importante na direção certa e nos dá um roteiro sobre como poderemos chegar lá nos próximos anos.”

O estudo foi publicado na revista Nature Materials.