用微观的“向日葵”制造更好的太阳能电池板

壁虎的垫子“臭名昭著的粘脚”上覆盖着刚毛——微观上，毛发结构，其化学和物理成分以及高柔韧性使蜥蜴能够轻松抓住墙壁和天花板。科学家们试图在实验室中用各种材料复制这种动态微结构，包括液晶弹性体(LCEs)，这是一种附有液晶基团的橡胶网络，并确定LCEs可以移动和拉伸的方向。到目前为止，大多数合成的LCE只能在一个或两个维度上变形，这限制了结构在整个空间中运动并呈现不同形状的能力。

现在，约翰a保尔森学院(SEAS)，工程和应用科学启发了工程学，一群来自哈佛大学韦斯研究所的生物科学家已经捕获了磁场来控制LCES的分子结构，创造出微观的三维聚合物形状，可以通过编程来响应各种类型的刺激向任何方向移动。根据PNAS的说法，这项工作可能会产生许多有用的设备，包括太阳能电池板，它将跟随太阳以提高能量捕获。

“这个项目的关键是我们可以通过在3D空间中向任何方向排列液晶来控制分子结构，这使我们可以将几乎任何形状编程为材料本身的几何形状，”第一作者姚宇星说，她是Wyss创始核心学院的成员和博士实验室的研究生乔安娜艾泽伯格。姚和艾岑伯格团队创造的微结构被铸造成任何形状，可以根据热、光和湿度变形，其具体的重新配置由自身的化学和材料特性控制。研究人员发现，LCE的所有液晶元素在合成时暴露于LCE的磁场前体，都沿着磁场排列，并在聚合物固化后保持这种分子排列。通过在这个过程中改变磁场的方向，科学家可以决定当加热到破坏其液晶结构取向的温度时，LCE形状将如何变形。当恢复到环境温度时，变形的结构恢复它们的原始状态，

这种编程的形状变化可用于创建加密信息，只有在加热到特定温度时才会显示，用于微型软机器人的致动器，或打开和关闭粘性粘合材料。该系统还可以使形状在通常需要一些能量输入的方向上自动弯曲。例如，LCE板不仅经历了“传统的”面外弯曲，还经历了面内弯曲或扭曲、伸长和收缩。此外，通过在聚合期间将LCE结构的不同区域暴露于多个磁场，然后在加热时在不同方向上变形，可以实现独特的运动。该团队还能够通过在聚合过程中将光敏交联分子纳入结构中，对LCE形状进行编程，以响应光的重新配置。然后，当从某个方向照射该结构时，面向光的一侧收缩，使整个形状向光弯曲。这种类型的自调节运动允许LCE响应于其环境而变形，并且不断地重新定向以自主地跟随光。

此外，利用热响应和光响应特性可以创造LCE，这样单一的材料结构现在可以有各种形式的运动和响应机制。这些多响应lce的一个令人兴奋的应用是创建覆盖着微结构的太阳能电池板，当太阳像向日葵一样在天空中移动时，这些太阳能电池板会跟随太阳移动，从而更有效地捕捉光线。这项技术还可以构成自动源跟踪无线电、多级加密、传感器和智能建筑的基础。“目前我们实验室有几个正在进行的项目，我们正试图控制这些lce的化学反应，以实现独特的，以前看不见的变形行为，因为我们相信这些动态的生物灵感结构可能会应用于许多领域，”艾泽伯格说，他也是SEAS大学材料科学的艾米史密斯贝尔森教授。

韦斯研究所的创始主任唐纳德英格伯博士说：“提出关于自然如何运作以及是否有可能在实验室复制生物结构和过程的基本问题是威斯研究所的价值观的核心，通常它可以带来创新，这不仅符合自然的能力，而且可以改善新材料和设备的创造，否则它就不会存在，”他也是哈佛医学院血管生物学和波士顿儿童医院血管生物学项目的犹大民俗学教授。SEAS大学生物工程教授。本文的其他作者包括詹姆斯沃特斯博士和安娜巴拉兹博士。来自匹兹堡大学；Anna Schneidman博士、崔嘉熙博士、Wang Ogguang博士、哈佛大学Nikolaj Mandzberg博士和哈佛大学化学系李书聪博士。这项研究得到了能源部和DARPA的支持。

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