يمكن أن يكون "عباد الشمس" الاصطناعي الذي ينحني ويثني ويلوي نفسه بشكل مستقل لتحسين كمية الضوء التي يتلقاها ، مكونًا رئيسيًا في الخلايا الشمسية الذكية في المستقبل. الجهاز مصنوع من بلور ضوئي قائم على البوليمر الحيوي ويقول مطوروه إن الإصدارات المستقبلية قد تكون قادرة على تتبع الشمس عبر السماء ، تمامًا كما يفعل عباد الشمس الحقيقي.
البلورات الضوئية عبارة عن مواد ذات بنية نانوية ذات معامل انكسار يختلف على مقياس طول مشابه لطول موجة الضوء المرئي. ينتج عن هذا التباين الدوري ما يسمى بـ "فجوة النطاق الضوئية" التي تؤثر على كيفية انتشار الفوتونات عبر المادة ، مما يسمح بامتصاص الضوء عند بعض الترددات (وبالتالي تسخين المادة) بينما تنعكس الترددات الأخرى. تؤثر الزاوية التي تضرب بها الأضواء على البلورة أيضًا على الترددات التي يتم امتصاصها.
هيكل مزدوج الطبقة
المواد الضوئية التي صممها فيورنزو أومينيتو وزملاؤهم في جامعة تافتس وجامعة نورث وسترن في الولايات المتحدة من طبقتين. الطبقة العلوية مصنوعة من فيلم شبيه بالأوبال من الألياف الحريرية المخدرة بجسيمات الذهب النانوية الممتصة للضوء (AuNPs). تحته بوليمر قائم على السيليكون ، بوليديميثيل سيلوكسان (PDMS).
اختار الفريق ، الذي يضم أيضًا باحثين في جامعة بافيا في إيطاليا ، الحرير الفيبرويني لمرونته و واعدة الخصائص البصرية وكذلك معامل التمدد الحراري السلبي (CTE). هذا الأخير يعني أن ألياف ألياف الحرير تتقلص عند تسخينها ويتمدد عند تبريدها - على عكس معظم المواد التي تحتوي على CTE موجب وتقوم بالعكس. والأهم من ذلك ، أن PDMS لديه CTE إيجابي مرتفع ويتوسع بسرعة عند تسخينه. ومن ثم ، عندما تتعرض البلورة الضوئية ثنائية الطبقة لضوء الليزر ، فإنها تنحني مع توسع PDMS وتقلص طبقة الحرير.
الانحناء مع الضوء
جعل الفريق البلورة الضوئية أكثر انعكاسًا عن طريق تعديل حجم خلايا الوحدة داخل البلورة. يوضح Omenetto أنهم فعلوا ذلك من خلال إنشاء أنماط في طبقة الحرير باستخدام تقنية الطباعة الحجرية التي تتضمن إما التعرض للأشعة فوق البنفسجية أو وضع الإستنسل على المادة ثم تعريضها لبخار الماء. بفضل هذه الأنماط ذات البنية النانوية ، يمكن لطبقة الحرير إما تعزيز أو إضعاف التفاعل بين جزيئات الذهب النانوية وضوء الليزر ، اعتمادًا على الزاوية التي يضربها بها شعاع الليزر.
معًا ، تسمح ميزات التصميم هذه للمادة بالثني والطي واللف بطرق تعتمد على هندسة الأنماط والطول الموجي لشعاع الليزر الساقط. كما أنها ، بشكل حاسم ، تمكن المادة من تتبع مسار وزاوية مصدر الضوء. أظهر الباحثون هذه الوظيفة من خلال تصنيع "زهرة الشمس" الضوئية بخلايا شمسية مدمجة في طبقة الحرير الثنائية الليفية- PDMS. يلتف الجهاز الناتج نحو مصدر الضوء مع تحرك المصدر ، على غرار الطريقة التي يتتبع بها عباد الشمس الحقيقي الشمس حيث تستطيل جوانب مختلفة من جذعها في أوقات مختلفة من اليوم.
أجهزة تتبع الضوء
يوضح Omenetto أن جهاز الفريق يحافظ على الزاوية بين الخلايا الشمسية وشعاع الليزر ثابتة تقريبًا ، مما يزيد من كفاءة تحويل الخلايا من الضوء إلى الطاقة أثناء تحرك الليزر. ويقول إن مثل هذه الأنظمة اللاسلكية ، المستجيبة للضوء ، والموجهة إلى الشمس (تتبع الشمس) يمكن استخدامها لصنع خلايا شمسية محسّنة.
صنع الباحثون أيضًا صندوقًا ذاتيًا قابل للطي و "فراشة" بأجنحة تفتح وتنغلق استجابة للضوء. مدفوعين بالنتائج التي توصلوا إليها بالتفصيل الاتصالات الطبيعةs، فهم يخططون لتكييف مشغلهم البصري الميكانيكي بحيث يعمل في أجزاء مختلفة من الطيف الكهرومغناطيسي. يقول أومينيتو: "نأمل أيضًا في صنع أجهزة لتتبع ضوء الشمس يمكن استخدامها خارج المختبر" عالم الفيزياء.
وظيفة "عباد الشمس" الضوئية الكريستال يتبع الضوء ظهرت للمرة الأولى على عالم الفيزياء.
