(Phys.org)—Wetenschappers hebben aangetoond dat pinwheel-vormige microtandwielen die op een vloeistofoppervlak drijven, kunnen draaien met snelheden tot 300 tpm. wanneer verlicht door een gewone LED. Deze door licht aangedreven beweging, die ontstaat doordat het licht een klein temperatuurverschil creëert en, vervolgens, een oppervlaktespanningsverschil in de omringende vloeistof, is ongeveer vijf ordes van grootte efficiënter dan andere mechanismen die licht omzetten in werk. Omdat het effect niet afhankelijk is van de grootte, de wetenschappers verwachten dat het systeem kan worden opgeschaald naar zowel de macroschaal als de nanoschaal.

De onderzoekers, Claudio Maggi en co-auteurs van de Universiteit van Rome, het Italiaanse Instituut voor Technologie in Genua, en het NANOTEC-CNR Instituut voor Nanotechnologie in Rome, hebben een paper gepubliceerd over de nieuwe demonstratie van licht-naar-werk conversie in een recent nummer van: Natuurcommunicatie .

In hun studie hebben de wetenschappers hebben de microtandwielen gefabriceerd met behulp van laserlithografie, bedekte ze met een laag amorfe koolstof om de lichtabsorptie te vergroten, en dompel ze onder in een vloeistof. Vervolgens deponeerden ze een kleine druppel van de tandwielbevattende vloeistof op een microscoopglaasje en verlichtten het met een LED. Terwijl eerdere door licht aangedreven motoren over het algemeen krachtige laserstralen nodig hebben om beweging te induceren, hier kon de wide-field LED beweging opwekken met slechts een paar microwatt vermogen per versnelling, overeenkomend met een 100, 000 keer hogere licht-naar-werk conversie-efficiëntie.

De reden voor de verhoging van de efficiëntie is dat het nieuwe systeem werkt onder een geheel ander licht-naar-werk-conversiemechanisme. Eerder, vergelijkbare systemen vertrouwden op ofwel de straling die wordt uitgeoefend door sterk gerichte laserstralen, of op thermoforese, dat is de langzame migratie van vaste deeltjes veroorzaakt door thermische gradiënten in de omringende vloeistof. Om thermoforese te bereiken, de helft van het deeltje is bedekt met een warmteabsorberende coating, zodat bij blootstelling aan sterke verlichting, het deeltje zal langs een temperatuurgradiënt worden voortgestuwd.

In het nieuwe systeem is de motoren zijn volledig bedekt met een warmteabsorberende coating, zodat ze meestal gelijkmatig worden verwarmd. Echter, de binnenste hoekpunten van de vorm van het pinwheel van elke motor worden heter dan de buitenste, die een asymmetrische temperatuurgradiënt in de omringende vloeistof genereert. Aangezien de oppervlaktespanning gewoonlijk afneemt met de temperatuur, deze temperatuurgradiënt - zelfs als deze slechts een paar millikelvin is - veroorzaakt een oppervlaktespanningsgradiënt, wat betekent dat capillaire krachten in de vloeistof ongelijkmatig aan de microtandwielen trekken. Het ongelijkmatige trekken resulteert in een netto koppel, waardoor de microtandwielen snel ronddraaien.

Zoals de onderzoekers uitleggen, dit effect lijkt erg op het Marangoni-effect, waarbij ook sprake is van een oppervlaktespanningsgradiënt. In het Marangoni-effect, vloeistoffen en kleine voorwerpen die op het oppervlak van een vloeistof met een oppervlaktespanningsgradiënt worden geplaatst, zullen van het gebied met de lage oppervlaktespanning naar het gebied met de hogere oppervlaktespanning bewegen. Hoewel eerdere studies zeer gerichte lasers hebben gebruikt om de voortstuwing van Marangoni aan te tonen, deze studie markeert de eerste keer dat dit is bereikt met onsamenhangende breedveldverlichting, zoals een gewone LED.

In de toekomst, deze efficiënte, door licht aangedreven beweging kan worden gebruikt in een verscheidenheid aan toepassingen op verschillende schalen, van miniatuur zonnevoertuigen tot nanomachines.

"Zonnevoertuigen maken transport over land mogelijk, water en in de lucht met behulp van zonlicht als primaire energiebron, " vertelde Maggi Phys.org . "De omzetting van licht in beweging vereist over het algemeen enkele transformatiefasen tussen verschillende vormen van energie. Meestal zijn het elektrische voertuigen die worden aangedreven door fotovoltaïsche cellen die in een eerste fase zonlicht omzetten in elektrische energie. Deze indirecte strategie, echter, omvat een hoge mate van complexiteit die grote beperkingen stelt aan de miniaturisatie van zonnemotoren op micrometerschaal."

"Anderzijds, het opwekken van voortstuwing op kleine schaal is van cruciaal belang voor de werking van micro- en nanomachines binnen de zogenaamde lab-on-a-chip, " zei Roberto Di Leonardo van de Italiaanse Nationale Onderzoeksraad, en de teamcoördinator. "Toekomstig onderzoek in deze richting zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van micromachines die kleine ladingen kunnen vervoeren, zoals individuele cellen, binnen geminiaturiseerde apparaten aangedreven door de eenvoudige blootstelling aan zonlicht."

© 2015 Fys.org