Mechanisch ansprechende Molekülkristalle sind äußerst nützlich in der Soft-Robotik, die eine vielseitige Betätigungstechnologie erfordert. Kristalle, die durch den photothermischen Effekt angetrieben werden, sind besonders vielversprechend, um eine Hochgeschwindigkeitsaktivierung zu erreichen. Die bei diesen Kristallen beobachtete Reaktion (Biegung) ist jedoch normalerweise gering. Jetzt gehen Wissenschaftler aus Japan dieses Problem an, indem sie große natürliche Resonanzschwingungen in Anisolkristallen mit UV-Lichtbeleuchtung bei der natürlichen Schwingungsfrequenz des Kristalls induzieren.
Jedes Material besitzt eine einzigartige natürliche Vibrationsfrequenz, so dass, wenn eine externe periodische Kraft nahe dieser Frequenz auf dieses Material ausgeübt wird, die Vibrationen stark verstärkt werden. Im Sprachgebrauch der Physik wird dieses Phänomen als „Resonanz“ bezeichnet. Resonanz ist in unserem täglichen Leben allgegenwärtig und kann je nach Kontext als wünschenswert oder unerwünscht angesehen werden. Zum Beispiel verlassen sich Musikinstrumente wie die Gitarre auf Resonanz zur Klangverstärkung. Andererseits ist es wahrscheinlicher, dass Gebäude und Brücken bei einem Erdbeben einstürzen, wenn die Frequenz der Bodenvibration mit ihrer Eigenfrequenz übereinstimmt.
Interessanterweise wurde der natürlichen Schwingung bei der Materialbetätigung, die auf der Wirkung mechanisch ansprechender Kristalle beruht, nicht viel Aufmerksamkeit geschenkt. Vielseitige Antriebstechnologien sind im Bereich der Softrobotik sehr wünschenswert. Obwohl die Kristallaktivierung auf der Grundlage von Prozessen wie Photoisomerisierung und Phasenübergängen umfassend untersucht wurde, mangelt es diesen Prozessen an Vielseitigkeit, da sie spezielle Kristalle erfordern, um zu funktionieren. Eine Möglichkeit, die Vielseitigkeit zu verbessern, ist der Einsatz photothermischer Kristalle, die sich aufgrund lichtinduzierter Erwärmung biegen. Obwohl es vielversprechend ist, eine Hochgeschwindigkeitsbetätigung zu erreichen, ist der Biegewinkel normalerweise klein (< 0,5°), was die Betätigung ineffizient macht.
Jetzt ist es einem Team von Wissenschaftlern der Waseda University und des Tokyo Institute of Technology in Japan gelungen, diesen Nachteil mit nichts anderem als dem uralten Phänomen der natürlichen Resonanzschwingung zu überwinden. Das Team unter der Leitung von Dr. Hideko Koshima von der Waseda University in Japan verwendete 2,4-Dinitroanisol-β-Phasen-Kristalle (1β), um eine durch gepulste UV-Strahlung induzierte großwinklige photothermisch resonierte Hochgeschwindigkeitsbiegung zu demonstrieren. Ihre Forschung wurde in Band 14 von Nature Communications veröffentlicht und am 13. März 2023 online verfügbar gemacht. „Anfangs war das Ziel dieser Forschung, Kristalle zu schaffen, die sich hauptsächlich aufgrund des photothermischen Effekts biegen. Deshalb haben wir uns für 2,4-Dinitroanisol entschieden (1) β-Phasenkristall (1β), das einen großen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat“, erklärt Koshima und spricht über die Motivation des Teams hinter der Studie. Darüber hinaus haben wir eine hohe Geschwindigkeit und eine große Biegung erreicht, indem wir die natürliche Schwingung photothermisch in Resonanz gebracht haben.
Bei ihrer Arbeit kühlte das Team zunächst eine Methanollösung von handelsüblichem Anisol 1 sechseckig, stabförmig zu erhalten 1β Einkristalle. Um sie mit UV-Licht zu bestrahlen, verwendeten sie einen gepulsten UV-Laser mit einer Wellenlänge von 375 nm und beobachteten das Biegeverhalten des Kristalls mit einem digitalen Hochgeschwindigkeitsmikroskop. Sie fanden heraus, dass die stabförmigen 1β Kristalle zeigten unter UV-Bestrahlung eine schnelle Eigenschwingung bei 390 Hz mit einer großen photothermischen Biegung von fast 1°, was größer ist als der zuvor bei anderen Kristallen berichtete Wert von 0,2°. Außerdem erhöhte sich der Biegewinkel aufgrund der Eigenschwingung auf fast 4°, wenn es mit gepulstem UV-Licht bei 390 Hz (gleich der Eigenfrequenz des Kristalls) bestrahlt wurde. Zusätzlich zu dieser großen Biegung beobachtete das Team eine hohe Ansprechfrequenz von 700 Hz zusammen mit der höchsten bisher aufgezeichneten Energieumwandlungseffizienz.
Diese Ergebnisse wurden durch vom Team durchgeführte Simulationen weiter bestätigt. Zu ihrer Begeisterung zeigten die Simulationsergebnisse eine hervorragende Übereinstimmung mit experimentellen Daten. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass jeder lichtabsorbierende Kristall eine schnelle, vielseitige Betätigung durch resonante natürliche Schwingungen aufweisen kann. Dies kann Türen zu Anwendungen von photothermischen Kristallen öffnen, was schließlich zu echten weichen Robotern mit Hochgeschwindigkeits-Betätigungsfähigkeit und vielleicht führen wird eine Gesellschaft, in der Menschen und Roboter harmonisch zusammenleben“, schließt Koshima.