“這是一個(gè)新的科學(xué)領(lǐng)域，”WPI機(jī)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(xué)報(bào)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(jī)械運(yùn)動(dòng)。在本文中，我們提出了第一個(gè)已知的半導(dǎo)體納米復(fù)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(jī)械應(yīng)力下的高強(qiáng)度和增強(qiáng)的光吸收。”

“用這種材料制成的小型抓手和致動(dòng)器可以用在火星車上以捕獲細(xì)小的灰塵顆粒。”Panchapakesan說。“他們可以通過小型機(jī)器人的血液循環(huán)來捕獲癌細(xì)胞或采集細(xì)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(dòng)器;它們將完全依靠光操作而不需要其它電源。”

與其他半導(dǎo)體材料一樣，科學(xué)報(bào)告論文（“二維層狀過渡金屬二（TMDS）基納米復(fù)合材料的色力學(xué)響應(yīng)”）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(dòng)。具體地，半導(dǎo)體中的電子能夠僅在被能量源（例如電磁場(chǎng)或光束中的光子）充分激發(fā)時(shí)從被稱為價(jià)帶的一組外軌道移動(dòng)到被稱為導(dǎo)帶的另一軌道。穿過“帶隙”，電子產(chǎn)生電流，這是使計(jì)算機(jī)芯片和太陽能電池成為可能的原理。

當(dāng)帶負(fù)電荷的電子在軌道之間移動(dòng)時(shí)，他們留下了帶正電荷的空隙稱為空穴。一對(duì)束縛電子和一個(gè)電子空穴被稱為激子。

在他們的實(shí)驗(yàn)中，Panchapakesan和他的團(tuán)隊(duì)，其中包括研究生Vahid Rahneshin和Farhad Khosravi，以及路易斯威爾大學(xué)和華沙大學(xué)的同事，觀察到二硫化鉬的鉬和硫原子的原子軌道以獨(dú)特的方式排列，允許導(dǎo)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(qiáng)的σ鍵，使硫化鉬中原子的二維陣列具有非凡的強(qiáng)度。這種共振的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)特效應(yīng)，即在材料內(nèi)產(chǎn)生熱。它是材料產(chǎn)生色散（光致）機(jī)械響應(yīng)的熱量。

利用這種現(xiàn)象，Panchapakesan的團(tuán)隊(duì)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(fù)合材料暴露于各種波長(zhǎng)的光中，并發(fā)現(xiàn)由于激子共振產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致聚合物膨脹和收縮，這取決于所使用的光的波長(zhǎng)。在以往的工作中，Panchapakesan的團(tuán)隊(duì)利用這種光機(jī)械響應(yīng)制造了微小的夾子用來打開和關(guān)閉響應(yīng)光脈沖。夾具可以捕捉單個(gè)人體細(xì)胞大小的塑料珠。

在進(jìn)一步的測(cè)試中，Panchapakesan和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了二硫化鉬復(fù)合物的另一種獨(dú)特的行為，為不同的應(yīng)用打開了大門。采用所謂的應(yīng)變工程，他們拉伸材料，發(fā)現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力會(huì)增加其吸收光的能力。

“這是傳統(tǒng)薄膜半導(dǎo)體無法做到的，”Panchapakesan說，“因?yàn)楫?dāng)拉伸他們，他們會(huì)過早地打破。但二硫化鉬憑借其獨(dú)特的材料強(qiáng)度，可以拉伸。并且其在應(yīng)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(cè)器和熱傳感器和紅外攝像機(jī)的良好候選。”