Mikroskopiske metabiler drevet af intet andet end lys

Forskere fra Chalmers Tekniske Universitet, Sverige, har haft held med at skabe små køretøjer drevet af intet andet end lys. Ved at lægge en optisk metasflade på en mikroskopisk partikel, og derefter bruge en lyskilde til at styre den, det lykkedes dem at flytte de små køretøjer på en række komplekse og præcise måder – og endda bruge dem til at transportere andre genstande.

Lys har en iboende kraft til at flytte mikroskopiske objekter - en egenskab, der tidligere blev brugt til at udvikle den nobelprisvindende forskningsidé om "optisk pincet, " som bruger en meget fokuseret laserstråle til at kontrollere og manøvrere små partikler med utrolig præcision.

Nu, en forskergruppe ved Chalmers Tekniske Universitet og Göteborgs Universitet har vist, hvordan selv et ufokuseret lys kan bruges til at manøvrere mikroskopiske partikler på en kontrolleret måde. Deres forskning blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Natur nanoteknologi .

Forskerne fremstillede køretøjer i en skala på 10 mikrometer bred og 1 mikrometer tyk - en tusindedel af en millimeter. Køretøjerne bestod af en lille partikel, belagt med noget kendt som en "metasurface." Metasurfaces er ultratynde arrangementer af omhyggeligt designede og ordnede nanopartikler, skræddersyet til direkte lys på interessante og usædvanlige måder. De tilbyder fascinerende muligheder for brug i avancerede komponenter til optiske applikationer såsom kameraer, mikroskoper og elektroniske displays. Som regel, de har en tendens til at blive opfattet som stationære genstande, med deres brug ses som evnen til at kontrollere og påvirke lyset. Men her, forskerne så på det omvendt, undersøge, hvordan kræfterne som følge af lysets ændring i momentum kunne bruges til at kontrollere meta-overfladen.

Som to poolbolde, der støder sammen

Forskerne tog deres mikroskopiske køretøjer, som de kaldte "metabiler, " og placerede dem på bunden af ​​en vandskål, brugte derefter en løst fokuseret laser til at rette en plan bølge af lys mod dem. Ved en rent mekanisk proces - varmen, der genereres af lyset, spiller ingen rolle i effekten - kunne køretøjerne derefter flyttes i en række forskellige mønstre. Ved at justere lysets intensitet og polarisering, det lykkes forskerne at kontrollere køretøjernes bevægelser og hastighed med en høj grad af præcision, navigere dem i forskellige retninger og komplekse mønstre, såsom ottetal.

"Ifølge Newtons tredje lov, for hver handling er der en lige og modsat reaktion - det betyder, at når lyset rammer meta-overfladen, og er afbøjet i en ny retning, meta-overfladen skubbes også væk i den anden retning. Forestil dig at spille pool, når to bolde rammer hinanden og hopper af i hver sin retning. I dette tilfælde, fotonerne og metaoverfladen er som de to poolbolde, " forklarer Mikael Käll, Professor ved Institut for Fysik på Chalmers Tekniske Universitet, medforfatter til artiklen og leder af forskningsprojektet.

Transport af andre små genstande

"Metabilerne var stabile, og deres navigation var yderst forudsigelig og kontrollerbar. Med avancerede automatiserede feedback-systemer, og mere sofistikeret kontrol af intensiteten og polariseringen af ​​kildelyset, endnu mere kompleks navigation ville være mulig, " forklarer Daniel Andrén, tidligere ved Institut for Fysik på Chalmers og hovedforfatter på undersøgelsen.

Forskerne eksperimenterede også med at bruge metavehicles som transportører, at skubbe små partikler rundt i tanken. Metabilerne viste sig i stand til let at transportere genstande, herunder en mikroskopisk polystyrenperle og en gærpartikel, gennem vandet. Det lykkedes endda at skubbe en støvpartikel 15 gange så stor som selve metabilen.

I øjeblikket, de praktiske anvendelser af denne opdagelse kan være en vej væk. Men forskningens grundlæggende karakter betyder, at dens værdi måske endnu ikke er tydelig.

"I udforskningen af ​​optiske kræfter, der er mange interessante effekter, som endnu ikke er fuldt ud forstået. Det er ikke applikationer, der driver denne type forskning, men udforskning af de forskellige muligheder. I en række forskellige stadier forude, man ved aldrig, hvad der vil ske. Men det faktum, at vi viste, hvordan metabilerne kan bruges som transportører, er den oprindeligt mest lovende potentielle anvendelse, for eksempel at flytte partikler gennem celleopløsninger, " forklarer Mikael Käll.

Forskningen præsenteres i artiklen "Microscopic Metavehicles Powered and Steered by Embedded Optical Metasurfaces" i tidsskriftet Natur nanoteknologi .