Исследователям из технологического университета Чалмерса (Швеция) удалось создать крошечные транспортные средства, работающие только на свету. Наложив оптическую метаповерхность на микроскопическую частицу, а затем используя источник света для управления ею, им удалось перемещать крошечные транспортные средства множеством сложных и точных способов - и даже использовать их для транспортировки других объектов, - пишет eurekalert.org со ссылкой на Nature Nanotechnology.
Свету присуща способность перемещать микроскопические объекты - свойство, ранее использовавшееся для разработки получившей Нобелевскую премию исследовательской идеи «оптического пинцета», в котором для управления и маневрирования крошечных частиц с невероятной точностью используется сильно сфокусированный лазерный луч.
Теперь исследовательская группа из Технологического университета Чалмерса и Университета Гетеборга показала, как даже несфокусированный свет можно использовать для управляемого маневрирования микроскопических частиц.
Исследователи производили автомобили размером 10 микрометров в ширину и 1 микрометр в толщину - одну тысячную миллиметра. Транспортные средства состояли из крошечной частицы, покрытой чем-то, известным как «метаповерхность». Метаповерхности - это ультратонкие структуры из тщательно спроектированных и упорядоченных наночастиц, предназначенных для направления света интересными и необычными способами. Они предлагают захватывающие возможности для использования в передовых компонентах для оптических приложений, таких как камеры, микроскопы и электронные дисплеи. Обычно их считают неподвижными объектами, а их использование рассматривается как способность управлять светом и воздействовать на него. Но здесь исследователи посмотрели на это с другой стороны, исследуя, как силы, возникающие в результате изменения импульса света, могут быть использованы для управления метаповерхностью.
Исследователи взяли свои микроскопические транспортные средства, которые они назвали «метавтомобилями», и поместили их на дно емкости с водой, а затем использовали слабо сфокусированный лазер, чтобы направить на них плоскую световую волну. С помощью чисто механического процесса - тепло, выделяемое светом, не играет никакой роли в эффекте - автомобили можно было перемещать по разным схемам. Регулируя интенсивность и поляризацию света, исследователям удается контролировать движение и скорость транспортных средств с высокой точностью, перемещая их в разных направлениях и используя сложные узоры, такие как восьмерки.
«Согласно третьему закону Ньютона, для каждого действия существует равная и противоположная реакция - это означает, что, когда свет попадает на метаповерхность и отклоняется в новом направлении, метаповерхность также отталкивается в другом направлении. Представьте себе игру в бильярд, когда два мяча ударяются друг о друга и отскакивают в разные стороны. В этом случае фотоны и метаповерхность похожи на эти два шара для пула», - объясняет Микаэль Келл, профессор кафедры физики Технологического университета Чалмерса, соавтор статьи и руководитель исследовательского проекта.
«Метавтомобили были стабильны, а их навигация была очень предсказуемой и управляемой. Благодаря усовершенствованным автоматизированным системам обратной связи и более сложному управлению интенсивностью и поляризацией источника света станет возможным даже более сложная навигация», - объясняет Дэниел Андрен, ранее работавший на кафедре физики в Чалмерсе и ведущий автор исследования.
Исследователи также экспериментировали с использованием транспортных средств в качестве транспортеров, чтобы перемещать мелкие частицы по резервуару. Метавтомобили оказались способными с легкостью транспортировать предметы, включая микроскопические шарики полистирола и частицы дрожжей, по воде. Им даже удалось столкнуть частицу пыли, в 15 раз превышающую размер самого метавтомобиля.
На данный момент до практического применения этого открытия еще далеко. Но фундаментальный характер исследования означает, что его ценность еще не очевидна.
«При исследовании оптических сил есть много интересных эффектов, которые еще не полностью изучены. Это не приложения, которые движут этим типом исследований, а изучение различных возможностей. Впереди несколько этапов, и никогда не знаешь, что произойдет. Но тот факт, что мы показали, как метавтомобили могут использоваться в качестве транспортеров, является наиболее многообещающим потенциальным применением, например, для перемещения частиц через клеточные растворы», - объясняет Микаэль Келл.
Фото: captainvector / 123RF
