Onderzoekers hebben een kleine nieuwe machine ontwikkeld die laserlicht omzet in werk. Deze optisch aangedreven machines assembleren zichzelf en kunnen worden gebruikt voor het manipuleren van kleine ladingen op nanoschaal voor toepassingen zoals nanofluïdica en het sorteren van deeltjes.

"Ons werk richt zich op een al lang bestaand doel in de nanowetenschapsgemeenschap om zelfassemblerende machines op nanoschaal te creëren die werk kunnen uitvoeren in conventionele omgevingen zoals vloeistoffen op kamertemperatuur, " zei onderzoeksteamleider Norbert F. Scherer van de Universiteit van Chicago.

Scherer en collega's beschrijven de nieuwe nanomachines in optiek . De machines zijn gebaseerd op een soort materie die bekend staat als optische materie, waarbij metalen nanodeeltjes bij elkaar worden gehouden door licht in plaats van de chemische bindingen die de atomen samenhouden waaruit typische materie bestaat.

"Zowel de energie om de machine in elkaar te zetten als de kracht om hem te laten werken, komt van licht, ", zei Scherer. "Als het laserlicht eenmaal is geïntroduceerd in een oplossing die nanodeeltjes bevat, het hele proces gaat vanzelf. Hoewel de gebruiker de uitkomst niet actief hoeft te controleren of te sturen, dit zou gemakkelijk kunnen worden gedaan om de machines voor verschillende toepassingen op maat te maken."

Optische materie creëren

In optische materie, een laserlichtveld creëert interacties tussen metalen nanodeeltjes die veel kleiner zijn dan de golflengte van licht. Deze interacties zorgen ervoor dat de deeltjes zichzelf assembleren tot geordende arrays. Dit is een soortgelijk principe als optische trapping, waarin licht wordt gebruikt om deeltjes vast te houden en te manipuleren, biologische moleculen en cellen.

In eerder werk, ontdekten de onderzoekers dat wanneer optische materie wordt blootgesteld aan circulair gepolariseerd licht, het roteert als een stijf lichaam in de richting tegengesteld aan de polarisatierotatie. Met andere woorden, wanneer het invallende licht de ene kant op draait, reageert de optische materie-array door de andere kant op te draaien. Dit is een manifestatie van "negatief koppel". De onderzoekers speculeerden dat er een machine zou kunnen worden ontwikkeld op basis van dit nieuwe fenomeen.

In het nieuwe werk de onderzoekers creëerden een machine voor optische materie die veel lijkt op een mechanische machine op basis van in elkaar grijpende tandwielen. Bij dergelijke machines wanneer een versnelling wordt gedraaid, een kleiner in elkaar grijpend tandwiel zal in de tegenovergestelde richting draaien. De optische materiemachine maakt gebruik van circulair gepolariseerd licht van een laser om een ​​nanodeeltjesreeks te creëren die zich gedraagt ​​als het grotere tandwiel door in het optische veld te draaien. Dit "tandwiel van optische materie" zet het circulair gepolariseerde licht om in orbitaal, of hoekig, momentum dat een nabijgelegen sondedeeltje beïnvloedt om de nanodeeltjesreeks (het tandwiel) in de tegenovergestelde richting te draaien.

Efficiëntie bepalen

De onderzoekers maakten twee machines op basis van dit ontwerp met behulp van laserlicht met een golflengte van 600 nanometer en sliver nanodeeltjes met een diameter van slechts 150 nanometer in water. Ze ontdekten dat het gebruik van een tandwiel gemaakt van acht nanodeeltjes een efficiëntere machine creëerde dan een tandwiel van zeven nanodeeltjes, wat suggereert dat de efficiëntie van de machine kan worden gewijzigd door verschillende versnellingen te bouwen.

"We geloven dat wat we hebben laten zien, met verdere verfijning, nuttig zal zijn bij nanofluïdica en deeltjessortering, " zei John Parker, promovendus en eerste auteur. "Onze simulaties laten zien dat een veel grotere machine gemaakt van veel meer deeltjes meer kracht op de sonde zou moeten kunnen uitoefenen, dus dat is een aspect van verfijning dat we verwachten na te streven."

De onderzoekers experimenteren nu met het maken van machines met veel meer deeltjes of met deeltjes van verschillende materialen. De bruikbaarheid van de machine kan ook worden verbeterd door tandwielen met patronen te maken waar de nanodeeltjes onbeweeglijk zijn. Dit zou de mogelijkheid bieden om verschillende versnellingen optisch aan te pakken en te combineren om een ​​complexere machine te maken.