光熱効果によるメカニカル結晶材料の多様化と可能性の拡大

通过光热效应实现机械晶体材料的多样化和可能性扩展

基本信息

批准号：
22KJ2879
负责人：
萩原佑紀
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Waseda University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

光や熱などに応答して動くメカニカル結晶はアクチュエータやソフトロボットへの応用が期待されている。これまでメカニカル結晶の大部分は光異性化に、一部は相転移に基づいて開発されていた。しかし、光異性化や相転移を起こす結晶は数が限られており、動きが遅く、照射波長が紫外光に限られていることが難点であった。私は2020年に、サリチリデンアニリン結晶が光熱効果により高速で屈曲することを初めて発見した。光熱効果は物質が光を吸収して励起状態になり、基底状態に戻る際に熱を放出する現象で、光を吸収するほとんどの結晶で起きる。このため幅広い結晶を対象にでき、あらゆる波長の光で結晶を高速で動かせる可能性がある。本研究で光熱効果により動く多種多様なメカニカル結晶を開発することで、光異性化や相転移では望めなかった、メカニカル結晶材料の多様化と可能性の拡大を目指す。2022年度は、2021年度に新しく発見した結晶の固有振動について、形状と屈曲の関係を調べ、屈曲速度やエネルギー変換効率(光→運動)を算出した。2022年8月31日から2022年12月21日にかけてドイツのマックス・プランク研究所の、ソフトロボットの世界的権威であるMetin Sitti教授グループに研究滞在し、ソフトロボット応用に向けた結晶アクチュエータの開発を行った。その結果、光熱効果で屈曲する結晶に光熱変換材料をコーティングすることで、紫外光だけでなく可視光や近赤外光など、幅広い波長の光(365-810 nm)によって屈曲する結晶アクチュエータの開発に成功した。

响应光或热而移动的机械晶体有望应用于执行器和软机器人。到目前为止，大多数机械晶体都是基于光异构化和一些基于相变而开发的。但其缺点是发生光异构化或相变的晶体数量有限，运动缓慢，照射波长仅限于紫外光。 2020年，我第一次发现水杨基苯胺晶体由于光热效应而高速弯曲。光热效应是物质吸收光，进入激发态，回到基态时释放热量的现象，发生在大多数吸收光的晶体中。这使得可以瞄准广泛的晶体，并且可以用任何波长的光高速移动晶体。在这项研究中，通过开发各种因光热效应而移动的机械晶体，我们的目标是多样化和扩大机械晶体材料的可能性，这是通过光异构化或相变无法实现的。 2022年，我们针对2021年新发现的晶体的自然振动，研究了形状与弯曲之间的关系，并计算了弯曲速度和能量转换效率（光→运动）。 2022年8月31日至2022年12月21日，他将与世界软体机器人权威Metin Sitti教授团队一起在德国马克斯·普朗克研究所进行研究，并开发用于软体机器人应用的晶体执行器。因此，通过在因光热效应而弯曲的晶体上涂覆光热转换材料，我们开发了一种晶体致动器，该晶体致动器可以在宽范围的光波长（365-810 nm）下弯曲，不仅包括紫外线，还包括光可见光和近红外光成功了。

项目成果

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专利数量（0）

Photothermally induced natural vibration for versatile and high-speed actuation of crystals

光热诱导自然振动可实现晶体的多功能和高速驱动

DOI：
10.1038/s41467-023-37086-8
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
16.6
作者：
Hagiwara Yuki;Hasebe Shodai;Fujisawa Hiroki;Morikawa Junko;Asahi Toru;Koshima Hideko
通讯作者：
Koshima Hideko

High-speed Bending of Anisole Crystals Based on Photothermal Effect and Natural Vibration

基于光热效应和自然振动的苯甲醚晶体高速弯曲