De derde wet van Newton schrijft voor dat krachten tussen op elkaar inwerkende deeltjes gelijk en tegengesteld zijn voor gesloten systemen. In een omgeving die niet in evenwicht is, de derde wet kan worden getrotseerd, die aanleiding geven tot "niet-wederkerige" krachten. theoretisch, dit werd getoond wanneer ongelijk, optisch gevangen deeltjes werden gemedieerd door een extern veld. In een recente studie, Yuval Yifat en collega's maten de netto niet-reciproke krachten in elektrodynamisch interactie, asymmetrische nanodeeltjesdimeren en nanodeeltjesaggregaten. In de experimenten, de nanodeeltjesstructuren waren beperkt tot pseudo-eendimensionale geometrieën en verlicht door vlakke golven. De waargenomen beweging was te wijten aan het behoud van het totale momentum voor deeltjes en velden met gebroken spiegelsymmetrie (weergegeven door een veranderde bewegingsrichting). De resultaten zijn nu gepubliceerd op Licht:wetenschap en toepassingen .

Het vermogen om lichtenergie om te zetten in zelfgestuurde beweging met door licht aangedreven nanomotoren of micromachines heeft al veel belangstelling gewekt. Een verscheidenheid aan methoden in de optica kan rotatiebeweging produceren of aanleiding geven tot translatiebewegingen met fotoreactieve materialen. De belofte om door licht aangedreven nanomotoren te ontwikkelen, kwam voort uit recent theoretisch werk, die voorspelde dat ongelijksoortige deeltjes verlicht door een elektromagnetische vlakke golf, zal een niet-wederkerige netto kracht ervaren.

De voorspelde niet-reciproke krachten bleken met simulaties zeer weinig te variëren met interdeeltjesscheiding. Echter, eenvoudig experimenteel bewijs over het fenomeen werd tot nu toe niet gepresenteerd. Het verkennen van de reactieve optische effecten kan nieuwe mogelijkheden openen voor zelfassemblage, lichtgestuurde micromachines om een ​​nieuw veld in optica en fotonica in te luiden.

Om de experimentele leemte op te vullen, in de huidige studie, Yifat et al. demonstreerde zelf-motiliteit met behulp van optisch gebonden dimeren van onevenredige metalen nanodeeltjes (NP's). De experimentele bevindingen werden ook ondersteund door kwantitatieve elektrodynamische simulaties. Afgezien van dimeren, de wetenschappers genereerden en maten op dezelfde manier de beweging van asymmetrische nanodeeltjesclusters of -assemblages. Om de experimenten uit te voeren, Yifat et al. gebruikte een standaard optische trapping-opstelling met een Ti:Sapphire-laser die werkt bij een golflengte van 790 nm. Een strak gefocust, circulair gepolariseerde ruimtelijk fasegemoduleerde lichtbundel vormde een optische ringval.

In de studie, de beweging van een ingesloten mengsel van zilveren (Ag) nanodeeltjes met een diameter van 150 nm - 200 nm werd gemeten met behulp van donkerveldmicroscopie bij een hoge framesnelheid van 290 fps. De deeltjes werden gevolgd, en hun precieze positie die wordt gebruikt om de hoekpositie (θi) op ​​de ring te berekenen. De wetenschappers voerden deeltjesbeeldvorming en -tracking uit met behulp van de toolbox voor het volgen van mozaïekdeeltjes die beschikbaar is via Image J-software.

Yifat et al. observeerde een "heterodimeer" van ongelijke deeltjes waarin de gerichte beweging van elektrodynamisch interagerende paren naar het grotere deeltje was. Omgekeerd, wanneer twee deeltjes van dezelfde grootte, een "homodimeer" genoemd, in de buurt kwam, gerichte beweging werd niet waargenomen. De resultaten waren in overeenstemming met de krachten berekend met behulp van de gegeneraliseerde Mie-theorie (GMT). De wetenschappers hebben tijdens het experiment geen volledige of vrije rotatie waargenomen - het gemanifesteerde koppel en het effect ervan zullen in toekomstig werk verder worden onderzocht.

Daarna, Yifat et al. de representatieve tijdstrajecten van θ . in beeld gebracht _C (de centrale hoek van het paar) voor de heterodimeren en homodimeren. In de heterodimeren, beweging van het paar was gericht op het grotere deeltje en kon daarom met de klok mee of tegen de klok in bewegen, rond de ring, afhankelijk van de oriëntatie. De wetenschappers herhaalden de experimenten en combineerden de resultaten. In de gecombineerde gegevens met verschillende heterodimeeroriëntaties, positieve snelheid werd gedefinieerd als de vector van het kleinere monster naar het grotere deeltje.

Bijvoorbeeld, de heterodimeren vertoonden een positieve gemiddelde hoeksnelheid bij een optische bindingsscheiding van 600 ± 150 nm en een negatieve gemiddelde hoeksnelheid wanneer de scheiding groter was bij 900 ± 150 nm. In tegenstelling tot, de gemiddelde hoeksnelheid voor een homodimeer was nul voor alle scheidingen. De verandering in gemiddelde snelheid en de beweging van het heterodimeerpaar naar het grotere, thermisch heter deeltje was te wijten aan het elektromagnetische veld en niet aan door warmte geïnduceerde zelfthermoforese (d.w.z. lokale temperatuurgradiënt gegenereerd als gevolg van laseradsorptie door de met metaal beklede deeltjes).

De bevindingen kwamen overeen met eerdere publicaties over de asymmetrie van licht dat wordt verstrooid door optisch ingesloten objecten. De gesimuleerde beweging werd op dezelfde manier gericht van het kleine deeltje naar het grotere deeltje. De wetenschappers observeerden een scheidingsafhankelijke onbalans van hoekverstrooiing (waarbij meer licht in de ene richting werd verstrooid dan in de andere). De asymmetrie in verstrooiing in het verre veld creëerde een kracht op het dimeer, het in beweging zetten zoals waargenomen. Soortgelijke asymmetrische verstrooiing werd eerder waargenomen voor plasmonische nanoantenne. Yifat et al. gebruikten dezelfde experimentele benadering om goud (Au) nanostar-dimeren en grote asymmetrische aggregaten van gouden nanodeeltjes te bestuderen.

Op deze manier, de wetenschappers demonstreerden experimenteel door licht aangedreven beweging van heterodimeren en asymmetrische verstrooiers in optische ringvallen om netto niet-reciproke krachten in eendimensionale vlakke golfvelden te kwantificeren. Hoewel de experimenten in deze studie beperkt waren tot een ringtrap, de strategie is overdraagbaar op elke optisch ingesloten materiestructuur die elektromagnetische asymmetrie vertoont. De optische trapping die in het onderzoek werd gebruikt, bood oplossingen voor de experimentele uitdaging om gerichte beweging op nanoschaal te genereren. Niet-wederkerige krachten in het onderzoek creëerden de zelfbewegende deeltjes zonder het gebruik van chemische omgevingen, chemische brandstoffen of complexe structuren.

De elektrodynamische theorie en simulaties die gelijktijdig in het onderzoek werden uitgevoerd, toonden ook aan dat interdeeltjesinteracties asymmetrische verstrooiing in de heterodimeren veroorzaakten. Het werk volgde dus fundamenteel de stelling van Noether (de symmetrie van de werking van een fysiek systeem bevat een overeenkomstige behoudswet). Overeenkomstig, Yuvat et al. rationaliseren dat de waargenomen zelf-motiliteit en de gekwantificeerde niet-wederkerige krachten volgden uit het behoud van het totale momentum van deeltjes en velden, voor systemen met gebroken symmetrie. De wetenschappers stellen zich het gebruik voor van dergelijke door licht aangedreven asymmetrische nanodeeltjesassemblages als actieve colloïden met kunstmatige chemotactische systemen, en als volledig operationele "nanozwemmers" voor onderzoek in zachte gecondenseerde materie en biofysica.

© 2018 Wetenschap X Netwerk