Unglaublicher neuer Kristall verwandelt Licht in mechanische Arbeit

Jul 07, 2023

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Der Durchbruch könnte dazu führen, dass wir keine sperrigen Batterien mehr benötigen – und das gesamte damit verbundene Wärmemanagement.

Fast alle Formen moderner Verbrauchertechnologie werden mit elektrochemischer Energie, auch Batterien genannt, betrieben. Lithium-Ionen-Batterien wandeln beispielsweise chemische Reaktionen in Gleichstromenergie um und erzeugen dabei auch einige Nebenwirkungen (hauptsächlich Wärme). Aber was wäre, wenn es eine andere Möglichkeit gäbe, Geräte mit Strom zu versorgen – sagen wir, Laser?

Das ist die Idee hinter neuen Forschungsergebnissen des Department of Chemical and Biological Engineering und der CU-Boulder. In einer neuen Studie, die diesen Monat in der Zeitschrift Nature Materials veröffentlicht wurde, untersuchte das Team unter der Leitung des Chemie- und Elektrotechnikprofessors Ryan Hayward Möglichkeiten, winzige Kristalle zu nutzen und Licht direkt in mechanische Arbeit umzuwandeln. Im großen Maßstab könnte ein solcher Durchbruch die Notwendigkeit sperriger Batterien und des gesamten damit verbundenen Wärmemanagements überflüssig machen.

„Wir schalten sozusagen den Mittelsmann aus, nehmen Lichtenergie und wandeln sie direkt in mechanische Verformung um“, sagt Hayward in einer Pressemitteilung.

Diese fotomechanischen Kristalle sind in ein Polymermaterial eingebettet, ähnlich einem Schwamm mit winzigen Löchern. Wenn die Kristalle in diesen Löchern wachsen, erhöhen sich ihre Haltbarkeit und ihre Fähigkeit, Energie zu erzeugen, wenn sie Licht ausgesetzt werden. Dies führt dazu, dass sich das Material verbiegt oder Gegenstände anhebt (was Hayward als „Verformung“ bezeichnet), was unter den richtigen Bedingungen einen mechanischen Motor oder Aktuator imitieren kann.

Und dieser lichtbetriebene „Motor“ kann beeindruckend leistungsstark sein. In einem Experiment hob ein 0,02-mg-Kristallstreifen erfolgreich eine 20-mg-Nylonkugel an. Obwohl es sich nicht um eine enorme Menge handelt, beträgt das Gewicht immer noch das 10.000-fache der Gesamtmasse der Kristalle.

Dies ist eine große Verbesserung gegenüber der früheren Arbeit des Teams, bei der es darum ging, eine photochemische Reaktion in kristallinen Feststoffen auszulösen. Da die „hohe strukturelle Ordnung“ dieser Kristalle ihre Flexibilität einschränkte, brachen sie häufig, wenn sie Licht ausgesetzt wurden. Mikrokristalle, die von einem thermoplastischen Polymerharz umhüllt sind, lassen sich jedoch besser biegen. Dies ermöglichte nicht nur mehr Flexibilität, sondern das Material konnte auch mindestens hundert Zyklen überstehen, heißt es in der Studie.

Zukünftig muss die Technologie viel effizienter sein, damit überhaupt jemand auf den Gedanken kommt, dass sie Batterien als mobile Energiequelle der Wahl an sich reißen könnte. Aber die verbesserte Leistung des neuen Materials – im Vergleich zu früheren Versuchen – ist sicherlich spannend zu sehen.

„Wir haben noch einen weiten Weg vor uns, insbesondere im Hinblick auf die Effizienz, bis diese Materialien wirklich mit bestehenden Aktuatoren konkurrieren können“, sagt Hayward. „Aber diese Studie ist ein wichtiger Schritt in die richtige Richtung und gibt uns einen Fahrplan dafür, wie wir in den kommenden Jahren dorthin gelangen können.“

Darren lebt in Portland, hat eine Katze und schreibt/redigiert über Science-Fiction und wie unsere Welt funktioniert. Wenn Sie genau hinschauen, können Sie seine früheren Sachen bei Gizmodo und Paste finden.

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