High-Speed Steerable Polar Crystal Motors Powered by Photoinduced Inverse Piezoelectricity
本文介绍了一种新的光力学范式，其中非极性庚嗪基极性晶体马达通过光诱导逆压电效应直接将光转化为机械功，从而绕过传统的热或化学中间体，实现了快速的单向运动。
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自然界早已掌握了将光转化为运动的艺术。向日葵追踪太阳的叶片或捕蝇草的快速闭合，都是将太阳能直接转化为机械功的生物系统实例。对于试图模仿这种能力的科学家来说，挑战在于寻找一种无需依赖复杂内部引擎或电池即可实现此功能的材料。大多数人类制造的随光运动的装置，其原理是首先将光转化为热，导致材料膨胀，或是通过触发化学变化来重塑分子。这些方法通常速度缓慢、效率低下，或难以实现精确控制。一条更直接的路径是使用电作为中间媒介，即让光在材料内部产生电场，从而瞬间推动或拉动它，但在固体、柔性材料中实现这一点一直难以捉效。
一支研究团队现在展示了一种仅利用光就能让固体晶体快速且定向运动的方法，绕过了对热或化学反应的需求。他们利用一种特定的有机分子制造出了微小的棒状晶体，这种分子本身是非极性的，但其堆叠方式创造了一个强大的内部电场。当一束聚焦的蓝光扫描过这些晶体时，它们会在表面上平滑地滑动，速度高达每秒1.0微米。这比以往报道过的任何光驱动晶体都要快60倍。这种运动并非随机的；晶体会沿直线运动，始终处于移动光束的反方向，并且只需改变激光的方向，就可以轻松地对其进行前后操控。
这种运动的奥秘在于一种被称为逆压电效应的现象，但它是通过光而非外部导线触发的。简单来说，当光照射到晶体时，由于晶体独特的非对称结构，会在材料内部产生微小的电流。这种内部电流产生了一种力，使晶体沿其长度方向轻微拉伸。因为光是一个移动的光点而非静止的洪流，所以这种拉伸是以波的形式在晶体上传播的。当晶体的某一部分拉伸并随后回弹时，它会推动下一部分向前，从而产生一种连续的、棘轮式的运动，推动整个晶体前进。研究人员证实，这并非由光加热晶体引起，因为温度变化微乎其微，也不是由任何化学反应引起的，因为晶体的结构在运动后保持不变。
为了实现这一点，科学家培育了两种不同版本的同种晶体，并将其命名为Hz-FG和Hz-FY。尽管它们由相同的分子组成，但分子的堆叠方式略有不同，导致其中一种晶体发出绿光，另一种发出黄光。这两个版本都具备运动所需的电学和机械性能，但黄色版本（Hz-FY）的表现更好。它移动得更快，且所需的启动光功率更低。研究人员通过在晶体上来回扫描激光束来测试晶体。晶体立即做出反应，与激光同步在玻璃表面上滑动。当激光停止时，晶体也停止；当激光反向时，晶体也反向运动。这种控制水平表明，这些晶体未来可以作为微型机器人或医疗设备的微型无线电机，这些设备需要在没有电线或电池的情况下进行精确运动。
这种材料本身对于晶体而言具有惊人的柔韧性。与许多弯曲时会破碎的刚性晶体不同，这些有机晶体可以拉伸并恢复原状而不发生断裂。研究人员通过拉伸晶体测量了其柔韧性，发现它们在断裂前可以拉伸高达3.5%。这种弹性至关重要，因为它允许晶体存储来自光诱导电场的能量，并将其释放为物理运动。运动是由晶体响应光产生的电场而改变形状的能力驱动的，这一过程完全发生在固体结构内部。团队通过证明运动仅在光以特定方向移动时发生，且运动速度与光强直接相关而非与温度相关，排除了其他可能性，例如光导致晶体因热量而膨胀。
这一发现引入了一种思考能量转换的新方式。研究人员展示了不再依赖于热或化学这种缓慢、间接的路径，而是可以通过固体材料内部的电能将光直接转化为机械运动。这些晶体充当了自给自足的电机，仅靠照射的光力驱动。这种运动如此之快且如此可控的事实，为创造可以用简单的激光笔进行操控的设备开辟了可能性。研究人员认为，这种方法可能会催生出新一代微型执行器，它们是无线的、精确的，并且能够在传统电机无法工作的环境中运行。通过证明固体晶体可以仅凭光实现如此高速且具有方向性的运动，该团队为开发更高效、更通用的光驱动机器提供了一条清晰的路径。
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