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新型液晶弹性体遇光就追,结合太阳能电池板可提升转换效率

2024-11-02 226

你可以看到固定式的太阳能电池板总是直愣愣立在原地,只吸收一天内某一时段的阳光,一些系统商觉得这样太浪费阳光,于是推出新颖的追日系统。但现在有科学家设计出新型液晶弹性体,其本身结构有如向光性的植物,阳光在哪就跟到哪,如果将之结合太阳能电池板,可以捕捉更多能量,成为提升太阳能电池转换效率的新诱因。

过去,科学家在实验室中尝试取材壁虎脚趾的匙突(spatulae)结构来设计液晶弹性体(liquid crystal elastomer,LCE)。

由于壁虎脚趾上有数十~数百万根微小纤毛,每根纤毛末端又分叉出 100~1000 根匙突结构,看起来就像大树最末梢遍布的密密麻麻小树枝,高达十亿根的匙突细毛与接触面产生微弱的凡得瓦力(Van der Waals force,注),是壁虎能够轻松吸附在墙壁与天花板上的原因,因此科学家一直努力想复制这种结构。

可惜,设计出来的液晶弹性体只能单调、枯燥的在一维或二维平面中延伸,形状变化有限。

现在哈佛大学韦斯生物工程研究所(Wyss Institute at Harvard University)研究人员发现,他们可以先利用磁场控制 LCE 的分子排列(分子暴露于不同磁场会有不同排列方式),等结构固化后,LCE 在接受到热量、光线、湿度等外在刺激时,就能随分子排列方式不同变出各式各样形状(如下图),带来更多利用空间。

▲ 液晶弹性体结构遇热变形,其变化形状取决于用磁场控制的内部分子排列。(Source:哈佛大学韦斯生物工程研究所)

更重要的是,液晶弹性体顾名思义具有可逆特性,一旦外在刺激消失,变形结构就会恢复原始状态;换句话说,这也能应用到太阳能电池板设计。

研究团队实验试着将感光交联分子结合至 LCE 结构中,让 LCE 结构可以随着光线变化而变形,接着发现,当从某个方向照射液晶弹性体时,面向光的一侧结构会收缩,整个形状朝有光的地方弯曲——如果将之结合太阳能,比如在电池板覆盖一层 LCE 结构,届时它将有如向日葵一样总是跟着阳光跑,能最大化吸收光线,不用另外搭配追日系统支架。

除了自动追太阳的太阳能电池板应用,该技术也能当作感测器、智慧建筑的基础。受益于液晶弹性体的独特性质,科学家相信往后会有越来越多领域可以应用该材料。新研究发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)。

注:凡得瓦力是分子间正、负电荷微弱的吸引力。
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(首图来源:pixabay)

2019-03-11 13:31:00

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