Door allerlei soorten polymeren en hydrogels met licht te beschijnen kun je hetzelfde effect bereiken als een zonnebloem die zich naar de zon toekeert, meldt Nature nanotechnology.

Het proces waarin een zonnebloem reageert op licht van de zon noem je fototropisme. Het lijkt op nastie, wat je bijvoorbeeld ziet in vleesetende planten. Die reageren op externe prikkels met een bepaalde beweging. Tropisme is dynamischer in dat het systeem (bijvoorbeeld een plant) niet alleen reageert op een prikkel, maar zich daarnaast ook in de richting van die prikkel beweegt. Bij fototropisme vormt licht die prikkel. Kun je dit in lichtvangende materialen implementeren, dan zou je bijvoorbeeld meebewegende zonnecellen kunnen maken.

Xiaoshi Qian, Yusen Zhao, Ximin He en collega’s van de University of California Los Angeles namen dit idee en creëerden de zogenoemde SunBOT (Sunflower-like Biomimetic Omni-directional Tracker). Dit fototropische systeem reageert zelfstandig en direct op invallend licht in drie dimensies bij veel verschillende temperaturen en hoge precisie. De onderzoekers lieten verder zien dat het ten opzichte van conventionele materialen bij schuin-invallend licht tot wel 400 % meer energie binnenhaalde.

SunBOTs kun je daarnaast van zo goed als elk zacht materiaal maken dat reversibel reageert op licht. Dat liet het team zien door vier verschillende soorten te ontwerpen. Als eerste een thermoresponsieve hydrogel van poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) met nanophotoabsorbers van nanogouddeeltjes of gereduceerd grafeenoxide; als tweede een copolymeer van PNIPAAm en polyacrylamide met polypyrrol als photoabsorber; een derde variant maakten ze van een hydrogel van poly(2-dimethylamino)ethylmethacrylaat met polyaniline als photoabsorber; de laatste SunBOT is een vloeibaar kristal-elastomeer gebaseerd op diacrylaat mesogen RM257 met een indigokleurstof als photoabsorber.

Deze materialen doen in wezen allemaal hetzelfde: de ‘SunBOT-bloemsteel’ buigt af naar een lichtbron doordat de hydrogel krimpt op de plek waar het licht op schijnt (zie bijvoorbeeld dit of dit filmpje). Als je het licht vervolgens weer uitzet of op een ander punt op de steel schijnt, zal de SunBOT zijn originele staat of juist de nieuwe richting aannemen, zelfs onder water.

Om de praktische kant van de SunBOTs te laten zien, onderzochten de onderzoekers hoe goed ze het zouden doen om zonlicht op te nemen. De PNIPAAm-SunBOT met gereduceerd grafeenoxide kon wit licht in alle richtingen volgen. Dit zorgde ervoor dat de puntjes van de SunBOTs altijd de maximale lichtdichtheid binnenhaalden, in elk seizoen, zowel op het noordelijk als het zuidelijk halfrond. De onderzoekers zien hun werk als een basis waar je alle kanten mee op kunt, zoals intelligente energieopwekking in zonnecellen, ‘slimme’ ramen, een ‘zonnezeil’ voor ruimteschepen en meer.