Optiske nanomotorer:Små motorer drives af lys

Science fiction er fuld af fantasifulde enheder, der tillader lys at interagere kraftigt med stoffet, fra lyssabler til fotondrevne raketter. I de seneste år, videnskaben er begyndt at indhente; nogle resultater antyder interessante vekselvirkninger i den virkelige verden mellem lys og stof på atomare skalaer, og forskere har produceret enheder såsom optiske traktorstråler, pincet, og hvirvelbjælker.

Nu, et hold på MIT og andre steder har skubbet igennem en anden grænse i jagten på sådanne eksotiske ting, ved i simuleringer at skabe det første system, hvor partikler - lige fra nogenlunde molekyle- til bakteriestørrelser - kan manipuleres af en stråle af almindeligt lys i stedet for de dyre specialiserede lyskilder, der kræves af andre systemer. Resultaterne rapporteres i dag i tidsskriftet Videnskabens fremskridt , af MIT postdocs Ognjen Ilic PhD '15, Ido Kaminer, og Bo Zhen; professor i fysik Marin Soljacic; og to andre.

Mest forskning, der forsøger at manipulere stof med lys, enten ved at skubbe individuelle atomer eller små partikler væk, tiltrække dem, eller dreje dem rundt, involverer brugen af ​​sofistikerede laserstråler eller andet specialiseret udstyr, der i høj grad begrænser den slags anvendelser af sådanne systemer kan anvendes til. "Vores tilgang er at se på, om vi kan få alle disse interessante mekaniske effekter, men med meget simpelt lys, " siger Ilic.

Holdet besluttede at arbejde på at konstruere partiklerne selv, i stedet for lysstrålerne, at få dem til at reagere på almindeligt lys på særlige måder. Som deres første test, forskerne skabte simulerede asymmetriske partikler, kaldet Janus (to-sidede) partikler, kun en mikrometer i diameter - en hundrededel af bredden af ​​et menneskehår. Disse små kugler var sammensat af en silicakerne belagt på siden med et tyndt lag guld.

Når de udsættes for en lysstråle, den tosidede konfiguration af disse partikler forårsager en interaktion, der forskyder deres symmetriakser i forhold til strålens orientering, fandt forskerne. På samme tid, denne interaktion skaber kræfter, der sætter partiklerne til at spinde ensartet. Flere partikler kan alle blive påvirket på én gang af den samme stråle. Og spinhastigheden kan ændres ved blot at ændre lysets farve.

Samme slags system, forskerne, sige, kunne anvendes til at producere forskellige former for manipulationer, såsom at flytte partiklernes positioner. Ultimativt, dette nye princip kan anvendes til at flytte partikler rundt inde i en krop, bruge lys til at kontrollere deres position og aktivitet, til nye medicinske behandlinger. Det kan også finde anvendelse i optisk baseret nanomaskineri.

Om det voksende antal tilgange til at kontrollere interaktioner mellem lys og materielle genstande, Kaminer siger, "Jeg tænker på dette som et nyt værktøj i arsenalet, og en meget betydningsfuld."

Ilic siger, at undersøgelsen "muliggør dynamik, der måske ikke opnås ved den konventionelle tilgang til at forme lysstrålen, " og kunne muliggøre en bred vifte af applikationer, som er svære at forudse på nuværende tidspunkt. F.eks. i mange potentielle anvendelser, såsom biologiske anvendelser, nanopartikler kan bevæge sig i et utroligt komplekst, skiftende miljø, der ville forvrænge og sprede de stråler, der er nødvendige for andre former for partikelmanipulation. Men disse forhold ville ikke have nogen betydning for de simple lysstråler, der er nødvendige for at aktivere holdets asymmetriske partikler.

"Fordi vores tilgang ikke kræver formning af lysfeltet, en enkelt lysstråle kan samtidig aktivere et stort antal partikler, " siger Ilic. "At opnå denne type adfærd ville være af stor interesse for samfundet af videnskabsmænd, der studerer optisk manipulation af nanopartikler og molekylære maskiner." Kaminer tilføjer, "Der er en fordel ved at kontrollere et stort antal partikler på én gang. Det er en unik mulighed, vi har her."

Soljacic siger, at dette arbejde passer ind i området topologisk fysik, et spirende forskningsområde, der også førte til sidste års Nobelpris i fysik. Det meste af den slags arbejde, selvom, har været fokuseret på ret specialiserede forhold, der kan eksistere i visse eksotiske materialer kaldet periodiske medier. "I modsætning, vores arbejde undersøger topologiske fænomener i partikler, " han siger.

Og dette er kun begyndelsen, holdet foreslår. Dette indledende sæt af simuleringer adresserede kun effekterne med en meget simpel tosidet partikel. "Jeg tror, ​​det mest spændende for os, "Kaminer siger, "er der et enormt felt af muligheder her. Med sådan en simpel partikel, der viser en så kompleks dynamik, " han siger, det er svært at forestille sig, hvad der vil være muligt "med et enormt udvalg af partikler og former og strukturer, vi kan udforske."