塔夫茨大學(xué)工程學(xué)院的研究人員創(chuàng)造了光激活的復(fù)合設(shè)備，能夠執(zhí)行精確的可見(jiàn)運(yùn)動(dòng)，并形成復(fù)雜的三維形狀，而不需要電線或其他執(zhí)行材料或能源。該設(shè)計(jì)結(jié)合了可編程光子晶體和彈性復(fù)合材料，可以在宏觀和納米尺度上進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，對(duì)照明作出反應(yīng)。

該研究為智能光驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的途徑，如可自動(dòng)跟隨太陽(yáng)光方向和角度的高效自對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)能電池、光驅(qū)動(dòng)的微流體閥門或按需隨光移動(dòng)的軟機(jī)器人。3月12日發(fā)表在《自然-通訊》上的一篇論文中，展示了一種 "光子向日葵"，它的花瓣向著和遠(yuǎn)離照明的方向卷曲，它可以跟蹤光的路徑和角度。 

顏色是由光的吸收和反射產(chǎn)生的。在彩虹蝴蝶翅膀或蛋白石寶石的每一次閃光背后，都隱藏著復(fù)雜的相互作用，鑲嵌在翅膀或?qū)毷�中的天然光子晶體會(huì)吸收特定頻率的光，并反射其他頻率的光。光線與晶體表面相遇的角度會(huì)影響哪些波長(zhǎng)被吸收，以及從吸收的能量中產(chǎn)生的熱量。

塔夫茨團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的光子材料由兩層組成：一層是由摻有金納米顆粒（AuNPs）的絲纖維素制成的蛋白石狀薄膜，形成光子晶體，另一層是硅基聚合物聚二甲基硅氧烷（PDMS）的底層基材。除了具有顯著的柔韌性、耐久性和光學(xué)特性外，絲纖維素還具有不同尋常的負(fù)熱膨脹系數(shù)（CTE），這意味著它在加熱時(shí)收縮，冷卻時(shí)膨脹。與此相反，PDMS具有較高的CTE，加熱時(shí)迅速膨脹。因此，當(dāng)新型材料暴露在光下時(shí)，一層的加熱速度比另一層快得多，因此材料在一側(cè)膨脹時(shí)彎曲，而另一側(cè)收縮或膨脹較慢。

通過(guò)這種方法，研究人員可以在多個(gè)尺度上對(duì)這些蛋白石類薄膜進(jìn)行圖案設(shè)計(jì)，以設(shè)計(jì)它們吸收和反射光線的方式。當(dāng)光線移動(dòng)和吸收的能量數(shù)量發(fā)生變化時(shí)，材料的折疊和移動(dòng)方式會(huì)因其與該光線的相對(duì)位置而有所不同。而大多數(shù)將光轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)的光學(xué)機(jī)械裝置都涉及到復(fù)雜且耗能的制造或設(shè)置，現(xiàn)在這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光能轉(zhuǎn)換的精致控制，并在不需要任何電力或電線的情況下產(chǎn)生這些材料的宏觀運(yùn)動(dòng)。

研究人員通過(guò)應(yīng)用模板對(duì)光子晶體薄膜進(jìn)行編程，然后將它們暴露在水蒸氣中以產(chǎn)生特定的圖案。表面水的圖案改變了薄膜吸收和反射光的波長(zhǎng)，從而使材料在暴露在激光光下時(shí)，根據(jù)圖案的幾何形狀，以不同的方式彎曲、折疊和扭曲。

作者在研究中展示了一種 "光子向日葵"，在雙層薄膜中集成了太陽(yáng)能電池，使電池跟蹤光源。光子向日葵使太陽(yáng)能電池和激光束之間的角度幾乎保持不變，當(dāng)光線移動(dòng)時(shí)，細(xì)胞的效率最大化。該系統(tǒng)在使用白光時(shí)和在使用激光時(shí)一樣能正常工作。這種無(wú)線、光響應(yīng)、日向系統(tǒng)有可能提高太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的光能轉(zhuǎn)換效率。該團(tuán)隊(duì)對(duì)該材料的演示還包括一只翅膀隨光開(kāi)合的蝴蝶和一個(gè)自動(dòng)折疊的盒子。

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