“這是一個新的科學領(lǐng)域，”WPI機械工程副教授及關(guān)于這種新材料的文章的主要作者Balaji Panchapakesan說，該文章發(fā)表在科學報告上，這是自然出版社的開放存取期刊。“極少數(shù)的材料能夠?qū)⒐庾又苯愚D(zhuǎn)換成機械運動。在本文中，我們提出了第一個已知的半導體納米復合材料，能夠這樣做。它是一種令人著迷的材料，其特征還有它在機械應力下的高強度和增強的光吸收。”
“用這種材料制成的小型抓手和致動器可以用在火星車上以捕獲細小的灰塵顆粒。”Panchapakesan說。“他們可以通過小型機器人的血液循環(huán)來捕獲癌細胞或采集細小的組織樣本。該材料可以用于制造用于光通信系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)鏡的微致動器;它們將完全依靠光操作而不需要其它電源。”
與其他半導體材料一樣，科學報告論文（“二維層狀過渡金屬二（TMDS）基納米復合材料的色力學響應”）中描述的材料二硫化鉬，特征在于電子被排列并在其原子內(nèi)移動。具體地，半導體中的電子能夠僅在被能量源（例如電磁場或光束中的光子）充分激發(fā)時從被稱為價帶的一組外軌道移動到被稱為導帶的另一軌道。穿過“帶隙”，電子產(chǎn)生電流，這是使計算機芯片和太陽能電池成為可能的原理。
當帶負電荷的電子在軌道之間移動時，他們留下了帶正電荷的空隙稱為空穴。一對束縛電子和一個電子空穴被稱為激子。
在他們的實驗中，Panchapakesan和他的團隊，其中包括研究生Vahid Rahneshin和Farhad Khosravi，以及路易斯威爾大學和華沙大學的同事，觀察到二硫化鉬的鉬和硫原子的原子軌道以獨特的方式排列，允許導帶內(nèi)的激子與所謂的硫原子的p軌道相互作用。這種“激子共振”有助于強的σ鍵，使硫化鉬中原子的二維陣列具有非凡的強度。這種共振的強度對應一個獨特效應，即在材料內(nèi)產(chǎn)生熱。它是材料產(chǎn)生色散（光致）機械響應的熱量。
利用這種現(xiàn)象，Panchapakesan的團隊創(chuàng)造了由一層到三層二硫化鉬包裹在一層橡膠狀聚合物中的薄膜。他們將這些納米復合材料暴露于各種波長的光中，并發(fā)現(xiàn)由于激子共振產(chǎn)生的熱量會導致聚合物膨脹和收縮，這取決于所使用的光的波長。在以往的工作中，Panchapakesan的團隊利用這種光機械響應制造了微小的夾子用來打開和關(guān)閉響應光脈沖。夾具可以捕捉單個人體細胞大小的塑料珠。
在進一步的測試中，Panchapakesan和他的團隊發(fā)現(xiàn)了二硫化鉬復合物的另一種獨特的行為，為不同的應用打開了大門。采用所謂的應變工程，他們拉伸材料，發(fā)現(xiàn)機械應力會增加其吸收光的能力。
“這是傳統(tǒng)薄膜半導體無法做到的，”Panchapakesan說，“因為當拉伸他們，他們會過早地打破。但二硫化鉬憑借其獨特的材料強度，可以拉伸。并且其在應變下增加的光吸收使其成為更有效的太陽能電池，光電檢測器和熱傳感器和紅外攝像機的良好候選。”
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