Каждый материал обладает уникальной естественной частотой вибрации, так что, когда к этому материалу прикладывается внешняя периодическая сила, близкая к этой частоте, вибрации значительно усиливаются. На языке физики это явление известно как "резонанс". Резонанс вездесущ в нашей повседневной жизни и, в зависимости от контекста, может считаться желательным или нежелательным. Например, такие музыкальные инструменты, как гитара, используют резонанс для усиления звука. С другой стороны, здания и мосты с большей вероятностью разрушатся при землетрясении, если частота колебаний грунта соответствует их собственной частоте.

Интересно, что естественной вибрации не уделялось большого внимания при приведении в действие материалов, которые основаны на действии механически реагирующих кристаллов. Универсальные технологии приведения в действие крайне желательны в области мягкой робототехники. Хотя приведение в действие кристаллов, основанное на таких процессах, как фотоизомеризация и фазовые переходы, широко изучено, этим процессам не хватает универсальности, поскольку для их работы требуются специальные кристаллы. Одним из способов повышения универсальности является использование фототермических кристаллов, которые изгибаются из-за нагрева, вызванного светом. Несмотря на перспективность достижения высокой скорости приведения в действие, угол изгиба обычно невелик (<0,5°), что делает приведение в действие неэффективным.

Теперь команде ученых из Университета Васэда и Токийского технологического института в Японии удалось преодолеть этот недостаток с помощью не чего иного, как векового явления резонирующей естественной вибрации. Команда, возглавляемая доктором Хидеко Кошимой из Университета Васэда в Японии, использовала кристаллы β-фазы 2,4-динитроанизола (1B) для демонстрации высокоскоростного изгиба под большим углом с фототермическим резонансом, вызванного импульсным ультрафиолетовым излучением. Их исследование было опубликовано в томе 14 журнала Nature Communications и доступно онлайн 13 марта 2023 года. "Первоначально целью этого исследования было создание кристаллов, которые изгибаются в значительной степени за счет фототермического эффекта. Поэтому мы выбрали 2,4-динитроанизол (1) β-фазный кристалл (1B), который имеет большой коэффициент теплового расширения", - объясняет Кошима, говоря о мотивации команды, стоящей за исследованием. "Мы по счастливой случайности обнаружили быструю и малую естественную вибрацию, вызванную фототермическим эффектом. Кроме того, мы добились высокой скорости и большого изгиба за счет фототермического резонанса естественной вибрации".

В своей работе команда сначала охладила метанольный раствор имеющегося в продаже анизола 1 для получения шестиугольной стержнеобразной формы 1B монокристаллы. Чтобы облучить их ультрафиолетовым светом, они использовали импульсный ультрафиолетовый лазер с длиной волны 375 нм и наблюдали реакцию кристалла на изгиб с помощью цифрового высокоскоростного микроскопа. Они обнаружили, что стержнеобразный 1B кристаллы при ультрафиолетовом облучении демонстрировали быструю естественную вибрацию частотой 390 Гц с большим фототермическим изгибом почти на 1°, что больше значения в 0,2°, ранее сообщавшегося для других кристаллов. Кроме того, угол изгиба из-за естественной вибрации увеличился почти до 4° при облучении импульсным ультрафиолетовым светом с частотой 390 Гц (совпадает с собственной частотой кристалла). В дополнение к этому большому изгибу команда наблюдала высокую частоту отклика в 700 Гц наряду с самой высокой эффективностью преобразования энергии, зарегистрированной на сегодняшний день.

Эти выводы были дополнительно подтверждены с помощью моделирования, проведенного командой. К их восторгу, результаты моделирования показали отличное соответствие экспериментальным данным. "Наши результаты показывают, что любой светопоглощающий кристалл может демонстрировать высокоскоростное, универсальное приведение в действие за счет резонирующих естественных колебаний. Это может открыть двери для применения фототермических кристаллов, что в конечном итоге приведет к созданию реальных мягких роботов с возможностью высокоскоростного приведения в действие и, возможно, общества, в котором люди и роботы будут жить в гармонии", - заключает Кошима.