Nanoskalamaskiner omdanner lys til arbejde

Forskere har udviklet en lillebitte ny maskine, der omdanner laserlys til arbejde. Disse optisk drevne maskiner samler sig selv og kan bruges til nanoskala manipulation af lille last til applikationer som nanofluidik og partikelsortering.

"Vores arbejde henvender sig til et langvarigt mål i nanovidenskabssamfundet om at skabe selvsamlende maskiner i nanoskala, der kan udføre arbejde i konventionelle miljøer såsom væsker ved stuetemperatur, " sagde forskerholdsleder Norbert F. Scherer fra University of Chicago.

Scherer og kolleger beskriver de nye nanomaskiner i Optica . Maskinerne er baseret på en type stof kendt som optisk stof, hvor metalnanopartikler holdes sammen af ​​lys frem for de kemiske bindinger, der holder sammen de atomer, der udgør typisk stof.

"Både energien til at samle maskinen og kraften til at få den til at fungere kommer fra lyset, " sagde Scherer. "Når laserlyset er introduceret til en opløsning, der indeholder nanopartikler, hele processen foregår af sig selv. Selvom brugeren ikke behøver aktivt at kontrollere eller styre resultatet, dette kunne let gøres for at skræddersy maskinerne til forskellige applikationer."

At skabe optisk stof

I optisk materiale, et laserlysfelt skaber interaktioner mellem metalnanopartikler, der er meget mindre end lysets bølgelængde. Disse interaktioner får partiklerne til at samle sig selv i ordnede arrays. Dette er et princip, der ligner optisk fældefangst, hvor lys bruges til at holde og manipulere partikler, biologiske molekyler og celler.

I tidligere arbejde, forskerne opdagede, at når optisk stof udsættes for cirkulært polariseret lys, den roterer som et stift legeme i retning modsat polarisationsrotationen. Med andre ord, når det indfaldende lys roterer den ene vej, reagerer den optiske materie ved at dreje den anden vej. Dette er en manifestation af "negativt drejningsmoment". Forskerne spekulerede i, at en maskine kunne udvikles baseret på dette nye fænomen.

I det nye værk, forskerne skabte en optisk stofmaskine, der fungerer meget som en mekanisk maskine baseret på sammenlåsende gear. I sådanne maskiner, når et gear drejes, et mindre sammenlåsende gear vil spinde i den modsatte retning. Maskinen til optisk stof bruger cirkulært polariseret lys fra en laser til at skabe et nanopartikelarray, der fungerer som det større gear ved at dreje i det optiske felt. Dette "optisk materiel" omdanner det cirkulært polariserede lys til orbital, eller kantet, momentum, der påvirker en nærliggende sondepartikel til at kredse om nanopartikelarrayet (gearet) i den modsatte retning.

Bestemmelse af effektivitet

Forskerne lavede to maskiner baseret på dette design ved at bruge laserlys med en bølgelængde på 600 nanometer og nanopartikler med en diameter på kun 150 nanometer i vand. De fandt ud af, at brugen af ​​et gear lavet af otte nanopartikler skabte en mere effektiv maskine end et gear med syv nanopartikler, tyder på, at maskinens effektivitet kunne ændres ved at bygge forskellige gear.

"Vi mener, at det, vi demonstrerede, med yderligere forfining, vil være nyttige i nanofluidik og partikelsortering, " sagde John Parker, kandidatstuderende og førsteforfatter. "Vores simuleringer viser, at en meget større maskine lavet af mange flere partikler burde være i stand til at udøve mere kraft til sonden, så det er et aspekt af raffinement, som vi forventer at forfølge."

Forskerne eksperimenterer nu med at lave maskiner med mange flere partikler eller med partikler af forskellige materialer. Maskinens praktiske funktion kunne også forbedres ved at skabe mønstrede tandhjul, hvor nanopartiklerne er ubevægelige. Dette ville gøre det muligt at optisk adressere og kombinere flere gear til en mere kompleks maskine.