具有光热共振自然振动的多功能高速高效的晶体驱动

来自日本的研究人员在用脉冲紫外线照射时观察到苯甲醚晶体中的大弯曲以及高速共振自然振动

每种材料都具有独特的固有振动频率，因此当在该频率附近向该材料施加外部周期性力时，振动会大大放大。用物理学的说法，这种现象被称为“共振”。共振在我们的日常生活中无处不在，并且根据上下文，可以被认为是可取的或不可取的。例如，吉他等乐器依靠共振来放大声音。另一方面，如果地面振动频率与其固有频率相匹配，建筑物和桥梁在地震中更有可能倒塌。

有趣的是，自然振动在材料驱动中并没有受到太多关注，它依赖于机械响应晶体的作用。软体机器人领域非常需要多功能驱动技术。尽管基于光异构化和相变等过程的晶体驱动已得到广泛研究，但这些过程缺乏通用性，因为它们需要特定的晶体才能工作。提高多功能性的一种方法是使用光热晶体，这种晶体会因光诱导加热而弯曲。虽然有望实现高速驱动，但弯曲角度通常很小(<0.5°)，导致驱动效率低下。

现在，来自日本早稻田大学和东京工业大学的一组科学家已经设法克服了这个缺点，只不过是利用了古老的自然共振现象。由日本早稻田大学的HidekoKoshima博士领导的团队使用2,4-二硝基苯甲醚β相晶体(1β)来演示脉冲紫外线照射引起的大角度光热共振高速弯曲。他们的研究发表在《自然通讯》第14卷上，并于2023年3月13日在线提供。因此，我们选择了2,4-二硝基苯甲醚(1)β相晶体(1β)，它具有很大的热膨胀系数，”Koshima解释说，他谈到了团队进行这项研究的动机。“我们偶然发现了由光热效应引起的快速而微小的自然振动。此外，我们通过光热共振自然振动实现了高速和大弯曲。”

在他们的工作中，该团队首先将市售苯甲醚1的甲醇溶液冷却，以获得六方棒状1β单晶。为了用紫外线照射它们，他们使用了波长为375nm的脉冲紫外线激光，并使用数字高速显微镜观察了晶体的弯曲响应。他们发现杆状1β晶体在紫外线照射下显示出390Hz的快速自然振动，具有近1°的大光热弯曲，这大于先前在其他晶体中报道的0.2°的值。此外，当用390Hz(与晶体的自然频率相同)的脉冲紫外线照射时，自然振动导致的弯曲角增加到近4°。除了这种大弯曲之外，该团队还观察到700Hz的高响应频率以及迄今为止记录的最高能量转换效率。

该团队进行的模拟进一步证实了这些发现。令他们兴奋的是，模拟结果与实验数据非常吻合。“我们的研究结果表明，任何吸光晶体都可以通过共振自然振动表现出高速、多功能的驱动。这可以为光热晶体的应用打开大门，最终导致具有高速驱动能力的现实生活中的软体机器人，或许还有一个人与机器人和谐相处的社会，”Koshima总结道。

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