从水蒸发中收集清洁能量–变形晶体将蒸发能量转化为运动

时间：2021-10-12 15:52:08 来源：

研究人员已经开发出三肽晶体（如上图所示），其特征是含水孔随着湿度的变化而膨胀和收缩，并利用蒸发产生有效的机械致动器。

这项新研究详细介绍了材料的分子级设计，这些材料能够收集干净，可持续的水蒸发能量并将其有效地转化为运动，从而有可能为未来的机械设备和机器提供动力。

夏季，当水坑里的水消失时，观察到的水蒸发是一个非常有力的过程。如果加以利用，则该过程可以提供清洁的能源，为机械设备和装置提供动力。CUNY（CUNY ASRC）由研究生中心高级科学研究中心的研究人员领导的国际科学家团队在《自然材料》上发表了一篇新论文，详细介绍了可将蒸发能量直接转化为强大运动的可变形晶体的发展。

这些水响应性材料是通过使用称为三肽的生物构建基块的简单变体来创建的，以生成同时具有刚性和可变形性的晶体。这些材料由水紧密结合的纳米级孔的三维图案组成，这些孔散布着由刚性和柔性区域组成的分子网络。当湿度降低并达到临界值时，水会从孔中逸出，导致互连网络的强大收缩。这导致晶体暂时失去其有序的图案，直到恢复湿度并恢复其原始形状为止。这种新设计的过程可以反复进行，从而产生了一种非常有效的收集蒸发能量以进行机械加工的方法。

研究生中心博士说：“我们本质上创造了一种新型的执行器，该执行器由水蒸发驱动。”该研究的第一作者，CUNY ASRC纳米科学计划的研究员Roxana Piotrowska。“通过观察其活动，我们已经能够确定水响应性材料如何有效地将蒸发转化为机械能的基本机制。”

该研究的通讯作者陈晨说：“我们的工作使我们能够在分子尺度上直接观察材料的蒸发驱动的致动。”陈晨与美国纽约市立大学ASRC纳米科学计划实验室共同领导了这项研究。“通过学习如何有效地从蒸发中提取能量并将其转化为运动，可以为包括蒸发能量收集装置在内的许多应用设计更好，更高效的执行器。”

CUNY ASRC纳米科学计划主任说：“重要的是，我们设计的晶体是由与蛋白质完全相同的构建基块生产的，但它们得到了根本简化，因此，可以针对此应用精确调整和合理优化其性能。” Rein Ulijn，由他的实验室牵头负责这项研究的生物分子设计方面。“使用生物构件来创造这项新技术的美妙之处在于，所形成的形态发生晶体具有生物相容性，可生物降解性，并且具有成本效益。”

通过结合基于实验室的实验和计算机模拟，研究人员能够识别和研究控制这些晶体驱动的因素。这种方法产生了新的见解，这些见解为设计提供了一种将蒸发用于各种应用的更有效方法的设计，这些方法可能包括由水蒸发提供动力的机器人组件或机械微型和纳米机器。

参考：Roxana Piotrowska，Travis Hesketh，王浩珍，Alan RG Martin，Deborah Bowering，张春秋，胡春华T. Hu，Scott A. McPhee，Tong Wang，Yaewon Park，Pulkit Singla撰写的“超分子晶体中蒸发诱导的致动机理的力学见解” ，托马斯·麦格隆（Thomas McGlone），佛罗伦萨·阿拉斯泰尔（Alastair Florence），泰勒·塔特尔（Tell Tuttle），莱因·乌里恩（Rein V.
10.1038 / s41563-020-0799-0

这项研究是与位于苏格兰格拉斯哥的斯特拉斯克莱德大学和纽约大学的研究人员合作完成的。这项工作得到了海军研究办公室，空军科学研究所，国家科学基金会以及英国工程和物理科学研究委员会的资助。

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