211service.com
Slimme kristallen
Onderzoekers in Japan hebben organische kristallen ontdekt die van vorm veranderen wanneer ze worden belicht met ultraviolet licht en vervolgens terugkeren naar hun oorspronkelijke vorm onder zichtbaar licht. Op 11 april Natuur papier laten ze zien dat de kristallen tot 100 keer heen en weer kunnen gaan tussen de twee verschillende vormen voordat ze barsten. De kristallen kunnen leiden tot kleine machines die worden aangedreven door licht, vergelijkbaar met de huidige micro-elektromechanische systemen die worden gebruikt in microfluïdische chips en optische communicatiesystemen, die worden aangedreven door elektriciteit.
Nano-kracht: Een dunne snorhaar van kristal buigt bij blootstelling aan ultraviolet licht en duwt een gouddeeltje (gezien als een zwarte vlek) 90 keer zijn gewicht 30 micrometer. Schijnbaar zichtbaar licht op het kristal maakt het recht.
De onderzoekers, onder leiding van Masahiro Irie , een professor scheikunde aan de Kyushu-universiteit in Fukuoka, schijnt afwisselend ultraviolet en zichtbaar licht op een rechthoekig kristal om het te laten samentrekken en vervolgens weer uit te rekken tot zijn oorspronkelijke lengte. Ze hebben ook een staafvormig kristal gemaakt dat ze maar liefst 80 keer konden buigen en rechtzetten. Wanneer het buigt, kan de staaf een gouden microdeeltje, dat 90 keer zwaarder is dan het kristal, over een afstand van 30 micrometer duwen.
Eerder vond Irie een soort organisch molecuul uit dat van kleur verandert als reactie op licht; hij beschreef het voor het eerst in het midden van de jaren tachtig. Tijdens het bestuderen van enkele kristallen van deze moleculen ontdekte zijn onderzoeksteam dat de kristallen ook van vorm veranderen. We waren [zeer] opgewonden om de foto-geïnduceerde vormverandering voor de eerste keer te zien, zegt Irie.
Van bepaalde polymeren en glazen is bekend dat ze van vorm veranderen bij blootstelling aan licht. Maar dit is de eerste keer dat onderzoekers het effect in kristallen hebben gezien, zegt Tomiki Ikeda , hoogleraar polymeerchemie aan het Tokyo Institute of Technology. Door hun regelmatige structuur kunnen vormveranderende kristallen bruikbaar zijn in verschillende toepassingen. Dit betekent dat je een precieze vormverandering kunt veroorzaken, zegt Ikeda. Elke keer krijg je dezelfde vormverandering bij blootstelling aan hetzelfde licht met dezelfde intensiteit ... wat erg belangrijk is voor nauwkeurige controle van mechanisch werk in apparaten van micrometerformaat.
De kristallen kunnen bijvoorbeeld worden ingebouwd in microfluïdische chips om kleine hoeveelheden vloeistof door nauwe kanalen te duwen; vloeistoffen worden momenteel verplaatst met spanning of druk van externe pompen. Het is veel fijner als je het met licht zou kunnen doen in plaats van elektroden aan te sluiten of er warmte op toe te passen, iets dat het proces dat je probeert te beheersen misschien zou verstoren, zegt Mark Warner , een theoretisch natuurkundige aan de universiteit van Cambridge die vormveranderende materialen bestudeert.
Vormveranderende kristallen kunnen ook worden gebruikt in schakelaars van de volgende generatie in glasvezelcommunicatiesystemen. In deze systemen gaan gegevenspakketten die van het ene punt naar het andere reizen door meerdere hubs waar ze naar de juiste route worden geschakeld. Momenteel worden lichtpulsen omgezet in elektrische signalen om te schakelen, maar snelle schakelaars van de volgende generatie kunnen microscopische spiegels gebruiken om het licht van de ene optische vezel op de andere te reflecteren. De kristallen kunnen worden gebruikt om de spiegels te verplaatsen.
De vormveranderende kristallen hebben nog enkele andere voordelen ten opzichte van polymeren en glazen voor gebruik in micromechanische toepassingen, omdat ze relatief snel en met significante veranderingen op licht reageren. Ze vertonen een veel dramatischer effect dan beschikbaar is in andere materialen, zegt J. Michael McBride , een professor in de organische chemie aan de Yale University, in New Haven, CT. De kristallen reageren sneller op licht dan polymeren en transformeren in 25 microseconden, terwijl polymeren een paar seconden nodig hebben. En ze ondergaan meer vervorming dan glazen. Het rechthoekige kristal krimpt bijvoorbeeld met 5 tot 7 procent van zijn lengte, terwijl glasachtige moleculen met ongeveer 2 procent veranderen. Maar Warner wijst erop dat hoewel polymeren langzamer reageren, bepaalde rubberachtige polymeren meer dan 100 procent vervorming vertonen, dus ze kunnen nuttiger zijn. Het hangt af van de toepassing die u in gedachten heeft.
Irie zegt dat zijn onderzoeksteam nu verschillende soorten kristallen probeert te maken die meer dan 100 keer vormveranderingen aankunnen zonder te barsten. Het team ontwerpt ook nieuwe verbindingen die verschillende soorten vormveranderingen vertonen, zoals de overgang van een staafvorm naar een plaatvorm.