Tyrėjai stato mikroskopines pavaras, maitinamas šviesa, esant nano masto mašinoms

Tyrėjai sukūrė mikroskopines mašinas – komplektuokite su darbinėmis pavaromis, stelažais ir kaiščiais, kurie visiškai veikia šviesoje.

Tyrimas, paskelbtas neseniai Prigimtisžymi pirmą kartą, kai inžinieriai surinko funkcinius „pavarų traukinius“ mikrometrų skalėse, panaudodami fotonus, o ne variklius ar laidus, kad galėtų judėti.

Jei technologija subręstų, tada jos ateitis galėtų atrodyti stebėtinai praktiška. Šviesos skatinami mikromotoriai galėtų siurbti reagentus į pašto ženklo dydžio diagnostikos laboratorijas, vairuoti veidrodžius ypač kompaktiškose kamerose arba atidaryti ir uždaryti vožtuvus narkotikų pristatymo implantuose-nereikia baterijų ar laidų.

Duomenų centruose šių pavarų sistemų spiečiai gali pertvarkyti optines grandines skrendant, padedant tiesioginiams lazerio signalams tarp lustų. Biomedicininių tyrimų metu mažos optomechaninės rankos vieną dieną galėtų manipuliuoti pavienėmis ląstelėmis ar baltymais, tiksliai kontroliuodami, atlikdamos užduotis, skirtas dabar dideliems, brangiems instrumentams.

Mažos pavaros, didelės ambicijos

Pasiekimas, kuriam vadovauja fizikų ir inžinierių komanda, naudojanti standartinius puslaidininkių gamybos įrankius, demonstruoja ilgai ieškomą tiltą tarp fotonikos ir mechanikos: miniatiūrinės mašinos, maitinamos ir valdomos šviesos pluoštais.

Kiekvienas „metamachinas“, kaip juos vadina autoriai, yra išgraviruotas ant lusto, naudojant litografiją, panašią į tą, kuri naudojama kompiuterio drožlėms. Kai apšviečiami, raštuotos metasurfaices nukreipia fotonus taip, kad jų pagreitis – mažylis, nors ir yra – perkelia į sukimo momentą, nustatant krumpliaračius sukasi.

Įrenginiai nėra tik besisukantys diskai. Jie apima ištisus sujungtų dalių rinkinius, tokius kaip pavarų traukiniai, perduodantys jėgą, ir stelažo ir piniono sistemas, kurios paverčia sukimąsi tiesiniu judesiu. Keisdami šviesos poliarizaciją arba keičiant metasurface geometriją, tyrėjai gali pakeisti kryptį arba modifikuoti greitį.

Jie netgi sujungė šiuos mikroskopinius variklius su veidrodžiais, parodydami, kaip mechaninis judėjimas gali pakeisti optinius signalus pagal poreikį – varginantį žvilgsnį į pertvarkomas optines grandines.

Vis dėlto, kaip ir daugelyje akinančių proveržių, rezultatai pateikiami įspėjimais, kurie juos labiau apibūdina kaip koncepcijos įrodymą, o ne į praktinį prototipą. Konversijos efektyvumas yra nykstančiai mažas, maždaug dešimt trilijonų šviesos energijos.

Kitaip tariant, šios mašinos veikia, bet vos. Jų sukimo momentas yra minusas, rotacijos lėtas ir operacija, užtikrintai priklausoma nuo tikslios apšvietimo ir stabilios aplinkos. Šiluminis absorbuotos šviesos poveikis gali sukelti dreifą ar pažeidimus, o pačios mašinos susiduria su nesenstančiais mechanikų priešais: trintis, nusidėvėjimas ir užterštumas.

Nuo laboratorijos smalsumo iki ateities įrankių

Vis dėlto demonstracija yra svarbi. Dešimtmečius tyrėjai bandė integruoti judančius mechaninius komponentus su optinėmis ir elektroninėmis sistemomis mikronų skalėmis, tik norėdami pataikyti į inžinerinius aklavietes. Elektriniai mikrokaktoriai reikalauja laidų ir kontaktų, kurie tampa nevaldomi tokiais matmenimis. Cheminiai ir magnetiniai diskai suteikia sudėtingumą ir nesuderinamumą su lustų gamyba.

„Light“ siūlo nekontaktinę alternatyvą-jei ją galima sutramdyti atlikti naudingą darbą. Įterpdama optinius metasurface tiesiai į pavarų struktūras, komanda parodė, kad fotonai iš tikrųjų gali būti energijos šaltinis, kad ir koks neveiksmingas, susijęs su susietų mechaniniais judesiais.

Galimos programos yra plačios, jei yra tolimos. Mikrofluidikuose šviesiai varomi siurbliai ar vožtuvai vieną dieną gali perkelti molekules be elektrodų ar vamzdžių. Jutikliai ir optika, miniatiūriniai veidrodžiai ir langinės galėtų dinamiškai valdyti ar filtruoti šviesos, statybinius blokus, skirtus judrioms fotoninėms grandinėms.

Biologai svajoja apie mikromechaninius įrankius, kurie gali veikti ląstelėse arba manipuliuoti mikroskopiniais organizmais be laidų ar magnetų. Net esminis mokslas galėtų būti naudingas: šių mažų pavarų masyvai galėtų padėti tyrėjams ištirti trintį, sukibimą ir dėvėjimąsi skalėje, kur dominuoja paviršiaus jėgos.

Kaip tai veikia, miniatiūriniu būdu

Šis požiūris ypač patrauklus yra jo suderinamumas su nusistovėjusiais mikroautobusų gamybos procesais. Metamachinai yra pagaminti iš įprastų medžiagų, naudojant litografinius žingsnius, jau įprastus puslaidininkių liejyklose. Tai teoriškai reiškia, kad ištisi mikrodeviūrų laukai – optiniai, mechaniniai ar net biologiniai – kada nors galėtų įtraukti šias struktūras taip lengvai, kaip pridedant naują grandinės sluoksnį.

Tačiau suvokiant šį pažadą reikės išspręsti puikų problemų sąrašą. Šviesa yra elegantiškas maitinimo šaltinis, tačiau silpnas; Kiekvienas fotonas turi tik impulsą. Išvestis gali reikalauti, kad lazeriai būtų tokie intensyvūs, kad jie sukuria destruktyvų šildymą. Mažyčiai pavarų dantys turi tiksliai tiksliai pritvirtinti atominį, todėl jie yra pažeidžiami dėl defektų ir dulkių. Ir nors tyrimas parodo operaciją daugiau nei valandas, klausimai, susiję su ilgaamžiškumu, pakartojamumu ir kontrole realioje aplinkoje.

Šiuo metu metamachinai geriausiai vertinami kaip išskirtiniai demonstracijos, kas įmanoma, o ne kaip paruošti naudojami komponentai. Tačiau lauke, kuriame nanometruose jau seniai matuojama progresas, net maži žingsniai gali jaustis revoliuciškai. Mikroskopinių gamyklų regėjimas, audimo judesys iš šviesos pluoštų, išlieka tolimas, tačiau staiga tai nebe įsivaizduojama.