光の方向に曲がる「ひまわりのような性質を持つ合成材料」の開発に研究者が成功

by Capri23auto

ひまわりは太陽光の方向に茎が曲がる向日性という性質を持っており、限られた太陽光を最大限に利用することができます。カリフォルニア大学とアリゾナ州立大学の研究チームはナノテクノロジーを駆使し、ひまわりのように茎が屈折して光を追いかける性質を持った「sunflower-like biomimetic omnidirectional tracker(SunBOT)」という合成材料を開発しました。

Artificial phototropism for omnidirectional tracking and harvesting of light | Nature Nanotechnology
https://www.nature.com/articles/s41565-019-0562-3

Engineers Create Tiny 'Artificial Sunflowers' That Bend Towards The Light
https://www.sciencealert.com/engineers-create-tiny-artificial-sunflowers-that-bend-towards-light

一見すると植物はじっと動かないように見えますが、朝日が昇るころに花を咲かせて日没ごろに花を閉じたり、太陽の方向へ茎を曲げたりするなど、実は環境の変化に応じて動いています。ひまわりは向日性によって多くの光を浴びることで成長速度を速められるだけでなく、太陽光の熱で温められることで受粉に役立つハチを集めやすいとのこと。

太陽光を追尾する性質は、太陽光発電パネルなどにおいて非常に有用です。太陽電池は正面から真っ直ぐ光を浴びた場合に最も効率的に発電可能で、浅い入射角だと発電効率が落ちてしまいます。実際に真上からの光線と75度の入射角でパネルに当たる光線を比較すると、入射角が75度の場合は発電に利用できる光エネルギーが75％も損なわれています。

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科学者らは以前にも、光の強度や温度などに反応してねじれたり、曲がったりする合成材料を開発してきました。ところが、本質的に刺激の方向を正確に検出して追跡できる合成材料は、これまでのところなかったそうです。

そこで研究チームは、金ナノ粒子を含むヒドロゲル、感光性ポリマー、光吸収色素を含んだ液晶エラストマーなど、さまざまな光または熱に反応する材料に注目。これらの材料を幅数ミリメートル、長さ数センチメートルの糸状に成形しました。

研究チームがSunBOTと名付けたこの茎のようにも見える合成材料は、レーザー光が当たると光の熱を感知し、一方の側面が収縮して反対側が膨張する特性を持っています。この性質により、SunBOTは光に向かってねじれたり傾いたりするとのこと。

実際にさまざまな材料で作られたSunBOTへレーザー光を当てる実験を行ったところ、光に反応する性質を持たない材料と比較して、最大で400％も効率的に光エネルギーを受けることができたそうです。以下の画像を見ると、光の入射角が20度から75度まで、広い角度にわたってSunBOTが反応していることがわかります。研究チームは今回の発見が、太陽光発電パネルやスマートウィンドウ、宇宙船用のソーラーセイル、レーダーなどに応用できる可能性があると述べました。