'Girasoles' microscópicos para mejorar los paneles solares

Los futuros paneles solares podrían estar dotados de unas estructuras microscópicas capaces de hacer un seguimiento de la luz, mejorando así su rendimiento y producción eléctrica.

Las almohadillas de las patas notoriamente pegajosas de las salamanquesas están cubiertas por estructuras microscópicas parecidas a pelos cuya composición química y física y alta flexibilidad permiten al lagarto agarrarse a las paredes y techos con facilidad. Los científicos han tratado de replicar tales microestructuras dinámicas en el laboratorio con una variedad de materiales, incluyendo elastómeros de cristal líquido (ECL).

Los ECL son redes gomosas con grupos de cristal líquido adheridos que dictan las direcciones en las que los ECL pueden moverse y estirarse. Hasta ahora, los ECL sintéticos han sido capaces de deformarse en solo una o dos dimensiones, limitando la capacidad de las estructuras para moverse a través del espacio y tomar diferentes formas.

Ahora, un grupo de científicos del Instituto Wyss de Harvard para la Ingeniería Inspirada Biológicamente y de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson (SEAS) ha aprovechado los campos magnéticos para controlar la estructura molecular de los ECL y crear formas poliméricas microscópicas tridimensionales que pueden ser programadas para moverse en cualquier dirección en respuesta a múltiples tipos de estímulos, entre ellos la luz. El trabajo, del que se informa en la revista PNAS, podría conducir a la creación de varios dispositivos útiles, incluidos paneles solares que sigan al sol para mejorar la captación de energía.

"Lo que es crítico en este proyecto es que somos capaces de controlar la estructura molecular alineando cristales líquidos en una dirección arbitraria en el espacio tridimensional, permitiéndonos programar casi cualquier forma en la geometría del propio material", dijo el primer autor Yuxing Yao, que es un estudiante de postgrado en el laboratorio de Joanna Aizenberg.

Los elastómeros de cristal líquido se deforman en respuesta al calor, y la forma que toman depende de la alineación de sus elementos cristalinos internos, lo que puede determinarse exponiéndolos a diferentes campos magnéticos durante la formación. (Foto: Wyss Institute at Harvard University)

Las microestructuras creadas por el equipo de Yao y Aizenberg están hechas de ECL fundidos en formas arbitrarias que pueden deformarse en respuesta al calor, la luz y la humedad, y cuya reconfiguración específica está controlada por sus propias propiedades químicas y materiales. Los investigadores descubrieron que al exponer los precursores de los ECL a un campo magnético mientras se sintetizaban, todos los elementos cristalinos líquidos dentro de los ECL se alineaban a lo largo del campo magnético y mantenían esta alineación molecular después de que el polímero se solidificó. Al variar la dirección del campo magnético durante este proceso, los científicos pudieron dictar cómo las formas de ECL resultantes se deformarían cuando se calentaran a una temperatura que interrumpiera la orientación de sus estructuras cristalinas líquidas. Cuando volvieron a la temperatura ambiente, las estructuras deformadas volvieron a su forma inicial, orientada internamente.

Estos cambios de forma programados podrían utilizarse para crear mensajes cifrados que solo se revelaran cuando se calentaran a una temperatura específica, actuadores para pequeños robots blandos, o materiales adhesivos cuya carácter adhesivo pueda ser activado y desactivado. El sistema también puede hacer que las formas se doblen de forma autónoma en direcciones que normalmente requerirían la entrada de algo de energía para lograrlo. Por ejemplo, se ha demostrado que una placa ECL no solo se somete a la flexión "tradicional" fuera del plano, sino también a la flexión o torsión dentro del plano, así como la elongación y la contracción. Además, se podrían lograr movimientos únicos exponiendo diferentes regiones de una estructura ECL a múltiples campos magnéticos durante la polimerización, que luego se deformarían en diferentes direcciones cuando se calentaran.

El equipo también pudo programar sus formas de ECL para reconfigurarse en respuesta a la luz incorporando moléculas de enlace cruzado sensibles a la luz en la estructura durante la polimerización. Entonces, cuando la estructura fue iluminada desde una cierta dirección, el lado que estaba de cara a la luz se contrajo, causando que toda la forma se doblara hacia la luz. Este tipo de movimiento autorregulado permite a los ECL deformarse en respuesta a su entorno y reorientarse continuamente para seguir autónomamente la luz, una función ideal para los paneles solares.

Además, los ECL pueden ser creados con propiedades de respuesta al calor y a la luz, de tal manera que una estructura de un solo material es ahora capaz de múltiples formas de movimiento y mecanismos de respuesta.

Una aplicación emocionante de estos ECL multi-respuesta es la creación de paneles solares cubiertos con microestructuras que giren para seguir al sol mientras se mueve a través del cielo, como un girasol, resultando así en una captura más eficiente de la luz. La tecnología también podría formar la base de radios autónomas de seguimiento de la fuente, encriptación multinivel, sensores y edificios inteligentes.

"Nuestro laboratorio tiene actualmente varios proyectos en curso en los que estamos trabajando en el control de la química de estos ECL para permitir comportamientos de deformación únicos y no vistos anteriormente, ya que creemos que estas estructuras dinámicas bioinspiradas tienen el potencial de encontrar su uso en varios campos", dijo Aizenberg. (Fuente: NCYT Amazings)