Investigadores de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Tufts han logrado desarrollar dispositivos compuestos activados por luz capaces de ejecutar movimientos precisos, con la formación de formas tridimensionales complejas, sin necesidad de cableado u otras fuentes de energía para ser activados. 

El diseño combina cristales fotónicos programables con un compuesto elastomérico que se puede diseñar a escala macro y nano para responder a la iluminación. 

Estos hallazgos proporcionan nuevas vías para el desarrollo de sistemas inteligentes impulsados por la luz, como por ejemplo, células solares de alta eficiencia que puedan seguir de forma automática la dirección y el ángulo del sol, válvulas microfluídicas activadas por luz o robots que se mueven según la demanda de luz. 

Los investigadores demostraron esta nueva tecnología con el desarrollo de un “girasol fotónico” , capaz de moverse según la luz, maximizando así la eficacia de las células solares incrustadas a medida que este seguía la fuente de luz. También desarrollaron una mariposa cuyas alas se abrieron y cerraron en respuesta a la luz y una caja autoplegable.

Un material fotónico que cambia de forma con la luz

El color resulta de la absorción y reflexión de la luz. Detrás de cada destello del ala de una mariposa iridiscente o una piedra preciosa del ópalo se encuentran interacciones complejas en las que los cristales fotónicos naturales incrustados en las alas o en la piedra absorben la luz de unas frecuencias específicas y reflejan otras. El ángulo en que la luz se encuentra con la superficie cristalina puede afectar qué longitudes de onda se absorben y el calor que se genera a partir de esta energía absorbida. 

El material fotónico diseñado por Tufts une dos capas: una película similar a la del ópalo hecha de fibroína de seda dopada con nanopartículas de oro (AuNP), formando cristales fotónicos, y un sustrato subyacente de polidimetilsiloxano (PDMS), un polímero a base de silicio. 

Además de una notable flexibilidad, durabilidad y propiedades ópticas, la fibroína de seda no suele tener un coeficiente negativo de expansión térmica, lo que significa que se contrae cuando se calienta y se expande cuando se enfría. El PDMS en cambio, tiene un alto coeficiente y se expande rápidamente cuando se calienta. Como resultado, cuando el nuevo material se expone a la luz, una capa se calienta mucho más rápidamente que la otra, por lo que el material se dobla a medida que un lado se expande y otro se contrae o se expande de forma más lenta. 

“Con nuestro enfoque, podemos modelar estas películas similares al ópalo a múltiples escalas para diseñar la forma en que absorben y reflejan la luz. Cuando la luz se mueve y la cantidad de energía que se absorbe cambia, el material se pliega y se mueve de manera diferente en función de su posición relativa a esa luz”, explica Fiorenzo Omenetto, autor correspondiente del estudio y Frank C. Profesor de Ingeniería en Tufts.

Mientras que la mayoría de los dispositivos optomecánicos que convierten la luz en movimiento implican una fabricación o configuraciones complejas y de uso intensivo de energía, “Somos capaces de lograr un control exquisito de la conversión de luz y energía y generar ‘macromovimiento’ de estos materiales sin necesidad de electricidad o cables”, señala Omenetto.

Un girasol fotónico 

Los investigadores programaron las películas de cristal fotónico aplicando plantillas y luego exponiendolas al vapor de agua para generar patrones específicos. El patrón de agua superficial alteró la longitud de onda de la luz absorbida y reflejada de la película, haciendo que el material se doblara, doblara y girara de diferentes maneras, dependiendo de la geometría del patrón, cuando se exponía a la luz láser.

Los autores demostraron en su estudio, publicado recientemente en “Nature Communications”, un “girasol fotónico”, con células solares integradas en la película bicapa para que estas células rastreasen la fuente de luz.

El girasol fotónico mantuvo el ángulo entre las células solares y el rayo láser de forma casi constante, maximizando la eficacia de las células solares a medida que la luz se movía. Los investigadores señalan que el sistema funcionará de la misma forma con luz blanca que lo hace con el láser.  

Estos sistemas inalámbricos, sensibles a la luz y heliotrópicos (siguiendo al sol) podrían mejorar potencialmente la eficiencia de conversión de luz a energía para la industria de la energía solar. Las demostraciones del equipo del material también incluyeron una mariposa cuyas alas se abrieron y cerraron en respuesta a la luz y una caja autoplegable.

Créditos de imágenes: Tufts University