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Cristalli intelligenti
Ricercatori in Giappone hanno scoperto cristalli organici che cambiano forma quando illuminati con luce ultravioletta e poi ritornano alla loro forma originale sotto luce visibile. In un 11 aprile Natura carta, mostrano che i cristalli possono andare avanti e indietro tra le due diverse forme fino a 100 volte prima di rompersi. I cristalli potrebbero portare a minuscole macchine azionate dalla luce, simili ai sistemi microelettromeccanici odierni utilizzati nei chip microfluidici e nei sistemi di comunicazione ottica, che sono azionati dall'elettricità.
Nanopotenza: Un sottile baffo di cristallo si piega quando esposto alla luce ultravioletta, spingendo una particella d'oro (vista come una macchia nera) 90 volte il suo peso 30 micrometri. La luce visibile sul cristallo lo raddrizza.
I ricercatori, guidati da Masahiro Irie , un professore di chimica all'Università di Kyushu, a Fukuoka, illumina alternativamente la luce ultravioletta e visibile su un cristallo rettangolare per farlo contrarre e poi estendersi alla sua lunghezza originale. Hanno anche creato un cristallo a forma di bastoncino che sono stati in grado di piegare e poi raddrizzare fino a 80 volte. Quando si piega, l'asta può spingere una microparticella d'oro, che è 90 volte più pesante del cristallo, per una distanza di 30 micrometri.
In precedenza, Irie aveva inventato un tipo di molecola organica che cambia colore in risposta alla luce; lo descrisse per la prima volta a metà degli anni '80. Durante lo studio dei singoli cristalli di queste molecole, il suo team di ricerca ha scoperto che anche i cristalli cambiano forma. Eravamo [molto] entusiasti di vedere il cambiamento di forma indotto dalla foto per la prima volta, dice Irie.
È noto che alcuni polimeri e vetri cambiano forma se esposti alla luce. Ma questa è la prima volta che i ricercatori hanno visto l'effetto nei cristalli, dice Tomiki Ikeda , professore di chimica dei polimeri al Tokyo Institute of Technology. La loro struttura regolare potrebbe rendere utili i cristalli che cambiano forma in varie applicazioni. Ciò significa che si può indurre un preciso cambiamento di forma, dice Ikeda. Avrai ogni volta lo stesso cambiamento di forma dopo l'esposizione alla stessa luce con la stessa intensità ... che è molto importante per il controllo preciso del lavoro meccanico in dispositivi di dimensioni micrometriche.
Ad esempio, i cristalli potrebbero essere incorporati in chip microfluidici per spingere piccoli volumi di liquido attraverso canali stretti; i fluidi vengono attualmente movimentati con tensione o pressione da pompe esterne. È molto più bello se potessi farlo con la luce piuttosto che collegare elettrodi o applicare calore, qualcosa che potrebbe interferire con il processo che stai cercando di controllare, dice Mark Warner , un fisico teorico dell'Università di Cambridge che studia i materiali che cambiano forma.
I cristalli che cambiano forma potrebbero essere utilizzati anche negli interruttori di prossima generazione nei sistemi di comunicazione in fibra ottica. In questi sistemi, i pacchetti di dati che viaggiano da un punto all'altro passano attraverso più hub dove vengono trasferiti sul percorso corretto. Attualmente, gli impulsi luminosi vengono convertiti in segnali elettrici per la commutazione, ma gli interruttori veloci di nuova generazione potrebbero utilizzare specchi microscopici per riflettere la luce da una fibra ottica su un'altra. I cristalli potrebbero essere usati per spostare gli specchi.
I cristalli che cambiano forma hanno alcuni altri vantaggi rispetto ai polimeri e ai vetri per l'uso in applicazioni micromeccaniche perché rispondono alla luce in modo relativamente rapido e con cambiamenti significativi. Mostrano un effetto molto più drammatico di quello disponibile in altri materiali, afferma J. Michael McBride , professore di chimica organica alla Yale University, a New Haven, CT. I cristalli rispondono alla luce più velocemente dei polimeri, trasformandosi in 25 microsecondi mentre i polimeri impiegano pochi secondi. E subiscono più deformazioni degli occhiali. Il cristallo rettangolare, per esempio, si contrae dal 5 al 7% della sua lunghezza, mentre le molecole vetrose cambiano di circa il 2%. Ma Warner sottolinea che anche se i polimeri sono più lenti a rispondere, alcuni polimeri gommosi mostrano una deformazione superiore al 100%, quindi potrebbero essere più utili. Dipende dall'applicazione che hai in mente.
Irie afferma che il suo team di ricerca sta ora cercando di preparare vari tipi di cristalli in grado di gestire i cambiamenti di forma più di 100 volte senza rompersi. Il team sta anche progettando nuovi composti che mostrano diversi tipi di cambiamenti di forma, come passare da una forma a bastoncino a una forma a piastra.