Små gear øger lys-til-arbejde-konverteringseffektiviteten med fem størrelsesordener (m/ video)

(Phys.org) —Forskere har demonstreret, at pinwheel-formede mikroudstyr, der flyder på en flydende overflade, kan rotere med hastigheder på op til 300 omdr./min. når den belyses af en almindelig LED. Denne lysdrevne bevægelse, som opstår, fordi lyset skaber en lille temperaturforskel og, efterfølgende, en overfladespændingsforskel i den omgivende væske, er omkring fem størrelsesordener mere effektive end andre mekanismer, der omdanner lys til arbejde. Da effekten ikke er størrelsesafhængig, forskerne forventer, at systemet kan skaleres til både makro- og nanoskalaen.

Forskerne, Claudio Maggi og medforfattere fra University of Rome, det italienske teknologiske institut i Genova, og NANOTEC-CNR Institute of Nanotechnology i Rom, har udgivet et papir om den nye demonstration af lys-til-arbejde-konvertering i et nylig nummer af Naturkommunikation .

I deres undersøgelse, forskerne fremstillede mikrogearene ved hjælp af laserlitografi, belagt dem med et lag amorft carbon for at øge lysabsorptionen, og nedsænket dem i en væske. De aflejrede derefter en lille dråbe af den gearholdige væske på et objektglas af mikroskop og belyste den med en LED. Mens tidligere lysdrevne motorer generelt kræver laserstråler med høj effekt for at fremkalde bevægelse, her kunne bredfelts-LED'en fremkalde bevægelse med blot et par mikrowatt effekt pr. gear, svarende til en 100, 000 gange højere lys-til-arbejde-konverteringseffektivitet.

Grunden til effektivitetsforøgelsen er, at det nye system fungerer under en helt anden konverteringsmekanisme, der er let til arbejde. Tidligere har lignende systemer har påberåbt sig enten den stråling, der presses af meget fokuserede laserstråler, eller om termoforese, som er den langsomme migration af faste partikler induceret af termiske gradienter i den omgivende væske. For at opnå termoforese, halvdelen af ​​partiklen er dækket af en varmeabsorberende belægning, så når de udsættes for stærk belysning, partiklen vil blive drevet langs en temperaturgradient.

I det nye system, motorerne er helt dækket af en varmeabsorberende belægning, så de for det meste opvarmes ensartet. Imidlertid, de indre hjørner af hver motors pinwheel -form bliver varmere end de ydre, som genererer en asymmetrisk temperaturgradient i det omgivende væske. Da overfladespændingen normalt falder med temperaturen, denne temperaturgradient - selv når den er så lille som et par millikelvin - forårsager en overfladespændingsgradient, hvilket betyder, at kapillarkræfter i væsken trækker ujævnt i mikrogearene. Det ujævne træk resulterer i et nettomoment, får mikroudstyret til at dreje hurtigt.

Som forskerne forklarer, denne effekt ligner meget Marangoni -effekten, hvilket også involverer en overfladespændingsgradient. I Marangoni -effekten, væsker og små genstande placeret på overfladen af ​​en væske med en overfladespændingsgradient vil bevæge sig fra området med den lave overfladespænding mod området med den højere overfladespænding. Selvom tidligere undersøgelser har brugt meget fokuserede lasere til at demonstrere Marangoni fremdrift, denne undersøgelse markerer første gang, at den er opnået med usammenhængende bredfeltbelysning, såsom en almindelig LED.

I fremtiden, denne effektive lysdrevne bevægelse kunne bruges i en række applikationer på forskellige skalaer, fra miniaturebiler til nanomaskiner.

"Solkøretøjer tillader transport på land, vand og i luften ved hjælp af sollys som en primær energikilde, "Fortalte Maggi Phys.org . "Omdannelse af lys til bevægelse kræver generelt nogle transformationstrin mellem forskellige energiformer. Typisk er det elektriske køretøjer, der drives af fotovoltaiske celler, der i et første trin omdanner sollys til elektrisk energi. Denne indirekte strategi, imidlertid, indebærer en høj grad af kompleksitet, der sætter store begrænsninger for miniaturisering af solmotorer på mikrometerskalaen. "

"På den anden side, frembringelsen af ​​fremdrift på små skalaer er af afgørende betydning for driften af ​​mikro- og nanomaskiner inden for den såkaldte lab-on-a chip, "sagde Roberto Di Leonardo ved det italienske nationale forskningsråd, og teamkoordinatoren. "Fremtidig forskning i denne retning kan føre til udvikling af mikromaskiner, der er i stand til at transportere små belastninger, såsom individuelle celler, inden for miniaturiserede enheder drevet af den simple udsættelse for sollys. "

© 2015 Phys.org