科学家开发出对光有反应的新材料

诸平

据塔夫斯大学（Tufts University）2018年7月24日提供的消息,该大学工程学院的研究人员已经开发出磁弹性复合材料,将其曝光时它会以不同的方式移动,这种特性大大提高了新材料广泛使用的可能性。使其应用范围更广，从执行简单运动到复杂运动,从微小的引擎和阀门弯曲到太阳能电池阵列朝向阳光等都有可能。相关研究结果于2018年7月24日已经在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）发表——Meng Li, Yu Wang, Aiping Chen, Arin Naidu, Bradley S. Napier, Wenyi Li, Carlos Lopez Rodriguez, Scott A. Crooker, and Fiorenzo G. Omenetto. lexible magnetic composites for light-controlled actuation and interfaces.Proceedings of the National Academy of Sciences, July 23, 2018. 201805832; published ahead of print July 23, 2018. DOI: 10.1073/pnas.1805832115. https://doi.org/10.1073/pnas.1805832115

下面的照片就是塔夫斯大学（Tufts University）的相关实验室提供的新材料薄片曝光时在磁场中发生移动分开的照片。

A film deflects from a magnetic field when exposed to light. Credit: Silk Lab, Tufts University

在生物学中,受光诱导而发生移动或者变化的例子有许多，在众多鲜花和叶子转向阳光的例子中，向日葵就是最典型的例证之一。在此项研究中创建的光驱动材料是基于居里温度原则（the principle of the Curie temperature）。居里温度也称居里点或磁性转变点。是指磁性材料中自发磁化强度降到零时的温度，是铁磁性或亚铁磁性物质转变成顺磁性物质的临界点。低于居里温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里温度时，该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。居里温度由物质的化学成分和晶体结构决定。即温度高于一定时其材料将会改变磁性。通过加热和冷却磁性材料,就可以使其磁性发生变化。掺杂铁磁CrO₂的生物聚合物和弹性体，将其暴露于激光或阳光之下加热时,会暂时失去磁性,直到再次降温才会使其恢复磁性。此材料（塑造成薄片,海绵,水凝胶）的基本动作,由附近的永久或电磁体诱导,可以表现出弯曲、扭转和膨胀等现象。

塔夫茨大学工程学院的工程教授弗兰克·多布尔（Frank C. Doble）和此项研究成果的通讯作者Fiorenzo Omenetto博士说，“我们可以把这些简单的动作组合到更复杂的运动之中,像爬行,散步,或者游泳。这些运动可以使用光通过无线进行控制。”塔夫茨大学的研究人员，他们通过光照可以使机械花的“花瓣”在磁场中向光弯曲。

Fiorenzo Omenetto博士的团队通过构造软触手（soft grippers）展示了其中的一些复杂的运动,通过光照可以控制软触手捕获和释放对象。论文的第一作者李萌（Meng Li音译）说, “这些材料的优点之一是我们可以采用局部光照或聚焦光照有选择性地激活部分的结构以及对其进行控制。与其他光基于液晶驱动的光活化材料不同,这些材料可以向成形迎光移动或背光移动。所有这些特性加起来能够使移动对象的复杂程度无论大小，都能协调运动。”

为了证明这种材料的多才多艺特性,研究者们构建了一个简单的“居里引擎（Curie engine）”。将一种光活化薄膜塑造成一个环，并安装一根针。放在一块永久磁铁附近,当激光聚焦到一个固定的环上时, 环的一部分立即消磁,创造一个不平衡的合力,使环转动。事实上,当环转动时离开激光聚焦点，退磁点恢复其磁性，而又有一个新的聚焦点退磁,如此反复，导致发动机不断旋转。

用于创建光驱动材料包括聚二甲基硅氧烷（polydimethylsoloxane，PDMS),这是一个广泛使用的透明弹性体，常常形成柔性薄膜和蚕丝蛋白（silk fibroin）,这是一种多才多艺的生物相容性材料具有优良的光学特性,可以做成各种各样的形体，从薄膜到凝胶、丝线、积块以及海绵。PDMS是一种高分子有机硅化合物，通常被称为有机硅。具有光学透明，且在一般情况下，被认为是惰性，无毒，不易燃。PDMS是最广泛使用的硅为基础的有机聚合物材料，其运用在生物微机电中的微流道系统、填缝剂、润滑剂、隐形眼镜等。

Fiorenzo Omenetto说：“用附加材料模式、光模式和磁场控制,理论上我们可以实现更加复杂和微调整动作,如折叠和展开,微流控阀切换、微米和纳米级引擎等。”塔夫茨大学的研究人员还制造出由一束激光控制的转速为2 rpm的居里引擎。更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

Explore further: Team invents world's first nickel-hydroxide actuating material that can be triggered by both light and electricity

Significance

This approach offers a platform for controlled, light-induced motion with easily accessible equipment and facile manufacturing processes. Utility can be envisioned for flexible, simple, and cost-effective actuators from the micro- to the macroscale. Additional opportunity is offered by the ability of these composites to perform heliotactic motion, enabling formats that respond and track light sources such as the sun.

Abstract

The interaction between light and matter has been long explored, leading to insights based on the modulation and control of electrons and/or photons within a material. An opportunity exists in optomechanics, where the conversion of radiation into material strain and actuation is currently induced at the molecular level in liquid crystal systems, or at the microelectromechanical systems (MEMS) device scale, producing limited potential strain energy (or force) in light-driven systems. We present here flexible material composites that, when illuminated, are capable of macroscale motion, through the interplay of optically absorptive elements and low Curie temperature magnetic materials. These composites can be formed into films, sponges, monoliths, and hydrogels, and can be actuated with light at desired locations. Light-actuated elastomeric composites for gripping and releasing, heliotactic motion, light-driven propulsion, and rotation are demonstrated as examples of the versatility of this approach.