新型液晶彈性體遇光就追,結合太陽能電池板可提升轉換效率

作者 | 發布日期 2018 年 12 月 08 日 9:35 | 分類 尖端科技 , 材料 , 零組件 follow us in feedly

你可以看到固定式的太陽能電池板總是直愣愣立在原地,只吸收一天內某一時段的陽光,一些系統商覺得這樣太浪費陽光,於是推出新穎的追日系統。但現在有科學家設計出新型液晶彈性體,其本身結構有如向光性的植物,陽光在哪就跟到哪,如果將之結合太陽能電池板,可以捕捉更多能量,成為提升太陽能電池轉換效率的新誘因。



過去,科學家在實驗室中嘗試取材壁虎腳趾的匙突(spatulae)結構來設計液晶彈性體(liquid crystal elastomer,LCE)。

由於壁虎腳趾上有數十~數百萬根微小纖毛,每根纖毛末端又分叉出 100~1000 根匙突結構,看起來就像大樹最末梢遍布的密密麻麻小樹枝,高達十億根的匙突細毛與接觸面產生微弱的凡得瓦力(Van der Waals force,註),是壁虎能夠輕鬆吸附在牆壁與天花板上的原因,因此科學家一直努力想複製這種結構。

可惜,設計出來的液晶彈性體只能單調、枯燥的在一維或二維平面中延伸,形狀變化有限。

現在哈佛大學韋斯生物工程研究所(Wyss Institute at Harvard University)研究人員發現,他們可以先利用磁場控制 LCE 的分子排列(分子暴露於不同磁場會有不同排列方式),等結構固化後,LCE 在接受到熱量、光線、濕度等外在刺激時,就能隨分子排列方式不同變出各式各樣形狀(如下圖),帶來更多利用空間。

▲ 液晶彈性體結構遇熱變形,其變化形狀取決於用磁場控制的內部分子排列。(Source:哈佛大學韋斯生物工程研究所

更重要的是,液晶彈性體顧名思義具有可逆特性,一旦外在刺激消失,變形結構就會恢復原始狀態;換句話說,這也能應用到太陽能電池板設計。

研究團隊實驗試著將感光交聯分子結合至 LCE 結構中,讓 LCE 結構可以隨著光線變化而變形,接著發現,當從某個方向照射液晶彈性體時,面向光的一側結構會收縮,整個形狀朝有光的地方彎曲——如果將之結合太陽能,比如在電池板覆蓋一層 LCE 結構,屆時它將有如向日葵一樣總是跟著陽光跑,能最大化吸收光線,不用另外搭配追日系統支架。

除了自動追太陽的太陽能電池板應用,該技術也能當作感測器、智慧建築的基礎。受益於液晶彈性體的獨特性質,科學家相信往後會有越來越多領域可以應用該材料。新研究發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)。

註:凡得瓦力是分子間正、負電荷微弱的吸引力。

(首圖來源:pixabay