Инженеры создают крошечные «искусственные подсолнухи», которые наклоняются к свету

Когда дело доходит до того, чтобы выжимать максимальное количество энергии из дневного времени, у растений есть преимущество благодаря эволюции.

Теперь инженеры спроектировали солнечные панели, которые имитируют талант подсолнечника в искусном использовании нанотехнологий.

Изготавливая термочувствительные материалы в тонкие поддерживающие структуры, ученые придумали крошечные «ножки», которые наклоняются к источнику яркого света, обеспечивая подвижную платформу, которая может значительно повысить эффективность ряда солнечных технологий.

Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Университета штата Аризона называют свою систему подсолнечным биомиметическим всенаправленным трекером. Или «SunBOT», если вам нравятся аббревиатуры.

С биологической точки зрения любое общее движение в ответ на конкретные изменения окружающей среды описывается как врожденное поведение. Цветы, которые открываются на рассвете и закрываются в сумерках, являются хорошим примером этого.

У химиков было мало проблем с созданием синтетических натриевых материалов и структур, которые открываются и закрываются, или изгибаются и скручиваются в ответ на изменения интенсивности света или колебания температуры.

Но у природы есть и другое, чуть более сложное поведение, которое направляет движения организмов в сторону добра и прочь от угроз.

Эти тропические формы поведения мы наблюдаем, когда подсолнухи наклоняют свои цветы к Солнцу, согревая их репродуктивные части, чтобы привлечь опылителей.

Действия в погоне за солнцем, или гелиотропизм, были бы очень полезны для таких вещей, как фотоэлектрические, которые наиболее эффективны, когда купаются в плотном свете радиации, падающей прямо на их поверхность, а не под более мелким углом.

С практической точки зрения, по сравнению с лучами от верхнего источника освещения, свет, поступающий под углом около 75 градусов, несет на 75 процентов меньше энергии.

Чтобы решить эту проблему потери плотности энергии при наклонном падении, исследовательская группа обратилась к гелям и полимерам, которые предсказуемо реагируют на свет или тепло.

В качестве кандидатов, заслуживающих более тщательного изучения, были выбраны несколько различных материалов, в том числе гидрогель, содержащий наночастицы золота, клубок светочувствительных полимеров и тип жидкокристаллического эластомера, встроенный в светопоглощающий краситель.

Каждое устройство имело форму миллиметровой нити длиной в несколько сантиметров. При наведении лазера крошечные искусственные стебли быстро реагировали на тепло света, сжимаясь с одной стороны и расширяясь с другой, чтобы заставить нить изгибаться и наклоняться к лазеру.

Чтобы проверить свои синтетические подсолнухи, исследователи собрали множество солнечных ботов и погрузили их в воду, позволив им сидеть прямо на границе воды и воздуха.

Чтобы определить возможности своего изобретения по сбору урожая, команда затем определила, сколько света было преобразовано в тепло, измерив водяной пар, сгенерированный их установкой.

Изменение количества пара указывало на то, что солнечные боты были до четырех раз лучше в сборе энергии на крутых углах, чем скучная старая плоская, статичная поверхность.

Демонстрируя, что различные материалы могут служить в качестве синтетического тропического материала, исследователи утверждают, что их устройства потенциально могут быть решением практически для любой системы, которая испытывает потерю эффективности из-за движущегося источника энергии.

Например, газоны этих миниатюрных поклонников солнца теоретически могут быть использованы для наклона практически любого солнечного процесса к свету, от крошечных солнечных элементов до испарительных устройств, которые могут очищать воду.

По словам дизайнеров SunBOTs, небо (если не за его пределами!) похоже, это предел для такого рода технологий.

«Эта работа может быть полезна для усовершенствованных солнечных комбайнов, адаптивных приемников сигналов, интеллектуальных окон, автономных робототехник, солнечных парусов для космических кораблей, управляемой хирургии, саморегулирующихся оптических устройств и интеллектуального производства энергии (например, солнечных элементов и биотоплива) а также обнаружение и слежение за энергичными выбросами с помощью телескопов, радаров и гидрофонов», — пишут они в своем отчете.

Даже если некоторые из этих предсказаний станут реальностью, будущее синтетических тропических материалов, безусловно, выглядит ярче.

Это исследование было опубликовано в журнале Nature Nanotechnology.