빛

연구자들은 빛을 자신의 질량의 1,000배를 들어 올릴 수 있는 상당한 기계적 힘으로 변환하는 작은 유기 결정을 사용하는 새로운 물질을 개발했습니다. 열이나 전기가 필요 없이 광기계 재료는 언젠가 로봇과 차량에 전력을 공급하는 무선 원격 제어 시스템을 구동할 수 있습니다.

광기계적 재료는 빛을 직접 기계적 힘으로 변환하도록 설계되었습니다. 이는 광화학, 고분자 화학, 물리학, 기계, 광학 및 공학 간의 복잡한 상호 작용의 결과입니다. 물리적 움직임을 달성하는 데 도움이 되는 기계의 일부인 광기계적 액추에이터가 인기를 얻고 있는 이유는 조명 조건을 조작하는 것만으로 외부 제어를 달성할 수 있기 때문입니다.

볼더(Boulder)에 있는 콜로라도 대학교(University of Colorado)의 연구원들은 광기계 재료 개발의 다음 단계를 밟아 자신보다 훨씬 무거운 물체를 구부리고 들어 올리는 작은 유기 결정 배열을 만들었습니다.

해당 연구의 교신저자인 Ryan Hayward는 “우리는 말하자면 중간자를 잘라내고 빛 에너지를 취하여 직접 기계적 변형으로 전환합니다.”라고 말했습니다.

광화학 물질의 문제는 분자 수준의 움직임을 활용하여 대규모 기계적 반응을 생성하는 것입니다. 이를 위해서는 일반적으로 반응성 분자가 모두 같은 방향으로 밀도록 조직되어야 합니다. 이는 일반적으로 액정 폴리머와 같은 정렬된 호스트 재료를 사용하거나 분자가 결정으로 정렬된 자기 조립을 사용하여 달성됩니다.

연구원들은 광화학 반응에 반응하여 모양이 변하는 결정질 고체를 사용하는 이전의 광기계 재료에서 볼 수 있는 문제를 피하고 싶었습니다. 즉, 빛에 노출되면 종종 갈라지고 유용한 작동기로 가공하기가 어려웠습니다. 그래서 그들은 미크론 크기의 기공을 가진 고분자 물질(폴리에틸렌 테레프탈레이트, PET) 내에 설정된 광활성 성분으로 작은 유기 디아릴에텐 유래 결정 배열을 사용했습니다.

모공 내에서 결정이 성장함에 따라 빛에 노출되었을 때 내구성과 에너지 생산이 크게 향상되었습니다. 더욱이, 기공 내의 광역학적 결정을 구속함으로써 빛에 노출될 때 파손되는 것을 방지했습니다. 복합 재료는 광역학적 반응을 파괴하거나 희생하지 않고 180°까지 구부릴 수 있었고 UV와 가시광선을 번갈아 가며 가역적으로 구부리거나 펴졌습니다. 그리고 결정은 열이나 전기 없이도 빛을 기계적 작업으로 변환할 수 있었습니다.

연구자들은 광역학적 결정이 얼마나 들어올릴 수 있는지 알아보기 위해 역도 실험을 진행했습니다. 그들은 하중이 부착된 상태에서 결정의 모양이 변할 때 마치 액추에이터처럼 작용하여 하중을 움직인다는 것을 발견했습니다. 0.02mg의 수정 배열은 자체 질량의 1,000배에 달하는 20mg의 나일론 공을 들어올릴 수 있었습니다.

“흥미로운 점은 이 새로운 액추에이터가 이전에 사용했던 것보다 훨씬 더 좋다는 것입니다.”라고 Hayward는 말했습니다. "반응이 빠르고 오래 지속되며 무거운 물건도 들어 올릴 수 있습니다."

연구원들은 유연성과 성형 용이성으로 인해 로봇과 차량의 전기 배선 액추에이터를 교체하거나 부피가 큰 배터리 대신 레이저 빔으로 드론에 전원을 공급하는 등 다양한 응용 분야에서 광화학 물질을 사용할 수 있다고 말합니다. 하지만 연구진은 먼저 해야 할 일이 더 있습니다.

앞으로 그들은 재료의 움직임을 더 잘 제어하는 ​​것을 목표로 하고 있는데, 현재는 구부리고 펴는 방식으로만 평평한 상태에서 곡선 상태로 갈 수 있습니다. 그들은 또한 빛 에너지 입력에 비해 생산되는 기계적 에너지의 양을 최대화하여 효율성을 높이기를 희망합니다.

Hayward는 “이러한 재료가 실제로 기존 액추에이터와 경쟁할 수 있으려면 효율성 측면에서 아직 갈 길이 멀다”고 말했습니다. "그러나 이번 연구는 올바른 방향으로 나아가는 중요한 단계이며 앞으로 몇 년 안에 그 목표에 도달할 수 있는 방법에 대한 로드맵을 제공합니다."

이 연구는 Nature Materials 저널에 게재되었습니다.