Lichtgestuurde beweging is een uitdaging in niet-vloeibare omgevingen, omdat objecten van microformaat een sterke droge hechting kunnen ervaren aan contactoppervlakken en weerstand kunnen bieden aan beweging. In een recente studie, Jinsheng Lu en medewerkers van het College of Optical Science and Engineering, Afdeling Elektrotechniek en Computertechniek, School of Engineering en het Institute of Advanced Technology in China en Singapore, ontwikkelde een vacuümsysteem en bereikte een roterende voortbeweging waarbij een micrometergrote, zeshoekige metalen plaat met een dikte van ongeveer 30 nm draaide om een ​​microvezel. Ze dreven de motor (plaatvezel) aan met een gepulseerd licht, die op de vezel werd geleid door een optisch geëxciteerde Lamb-golf. De procedure maakte een motor met plaatvezelgeometrie mogelijk die gunstig is voor optomechanische toepassingen in de praktijk; resultaten van het onderzoek zijn nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang .

Licht kan op afstand mechanische rotatie veroorzaken, direct en precies. Door licht geïnduceerde rotatie op micro-/nanoschaal kan uitgebreide toepassingen genereren in mechanische bediening, om biomoleculen te manipuleren en vracht af te leveren. In vloeibare omgevingen, wetenschappers hebben door licht aangedreven rotatie aangetoond door lineair en hoekmomentum over te brengen op micro-objecten. In niet-vloeibare omgevingen, dominante adhesiekrachten verhinderen de beweging van micro-objecten. Aangezien adhesie de werking van roterende motoren die worden aangedreven door impulsoverdracht ernstig kan belemmeren, vloeistof wordt meestal gebruikt om ongewenste effecten te minimaliseren.

In het huidige werk, Lu et al. afgeweken van deze lang gekoesterde visie om te rapporteren over een door licht aangedreven motor, waar de adhesiekrachten in lucht contra-intuïtief rotatie toestonden. Het proces werd ondersteund door de Lamb-golf (een thermo-elastische uitzetting die wordt gegenereerd door plasmonische verwarming van het geabsorbeerde pulslicht) en de geometrische configuratie van de plaatvezel.

In productie, Lu et al. demonstreerde een door licht geactiveerde microspiegel met een scanresolutie van 0,001 graden. Ze regelden de rotatiesnelheid en stopresolutie van de motor (gouden plaat op een microvezel) door de herhalingssnelheid en pulsgolf in de opstelling te variëren. De wetenschappers toonden de motorcrawl stapsgewijs, met sub nanometer voortbewegingsresolutie in het experiment. Het werk biedt een ongekend toepassingspotentieel om te integreren in micro-opto-elektromechanische systemen, volledig optische precisiemechanica en bedieningselementen in de ruimte, en als laserscanning voor miniatuur lidar-systemen (op licht gebaseerde navigatie-/kaartsystemen).

Om de microvezels te construeren, Lu et al. gebruikte een vlamverhitte tekentechniek en synthetiseerde de gouden plaat met een enkel kristal met een atomair glad oppervlak, in de vorm van zeshoeken of driehoeken zoals eerder gemeld. Vervolgens hebben ze de uniform fijngetrokken optische microvezel experimenteel in lucht gesuspendeerd, of vacuüm en plaats de gouden plaat erop met een sonde. Ze gebruikten scanning elektronenmicroscopie (SEM) beeldvorming om het plaat-microvezelsysteem te bekijken. Tijdens onmiddellijke aan/uit-bewegingen van een continue golf (CW) laser, de wetenschappers observeerden subtiel zwakke azimutale beweging van de gouden plaat. Het uurwerk was te wijten aan het uitzetten/krimpen van de gouden plaat, het accidentele effect veroorzaakte de gepulseerde afgifte van een supercontinuümlicht in de microvezel.

Met behulp van dit proces, de wetenschappers lieten zien hoe de gouden plaat rond de microvezel draaide terwijl de lichtpulsen naar de opstelling werden geleid waar Van der Waals-krachten verantwoordelijk waren voor de strakke hechting van de plaat aan de microvezel. Overigens, omdat de scheiding tussen de gouden plaat en de microvezel zo klein was, de Van der Waals krachten werd dominant. Toen de wetenschappers hetzelfde experiment in vloeistof uitvoerden, de adhesiekrachten werden kleiner, in dit geval bewoog de gouden plaat weg van de microvezel en stopte met draaien, toont de noodzaak van adhesiekrachten voor beweging in deze opstelling.

De motor werkte ook in vacuüm, waar de gasdruk ongeveer negen ordes van grootte lager was dan in lucht. De rotatiesnelheid was lineair evenredig met de herhalingssnelheid van lichtpulsen en nam lineair toe, om aan te tonen dat een enkele lichtpuls de motor in een extreem kleine hoek kan laten draaien. Lu et al. gebruikte een golfvormgenerator om een ​​signaal te produceren dat de lichtbron zou kunnen triggeren om een ​​bepaald aantal pulsen uit te zenden en berekende de hoek tussen de microvezel en de plaat met behulp van de projectiemethode. Elke lichtpuls zette de motor aan om onder een constante hoek te draaien. De wetenschappers bevestigden dit resultaat met verdere experimenten.

De wetenschappers sloten optische krachten uit als de drijvende kracht tijdens rotatie, aangezien het gebruik van CW-laserbronnen van verschillende golflengten geen enkele rotatie veroorzaakte; alleen een gepulseerde lichtbron met een enkele golflengte (1064 nm) kon de motor laten draaien. Aangeven dat pulsen een essentiële rol speelden om beweging te genereren. Eerdere studies hadden op dezelfde manier aangetoond dat gepulseerd licht coherente fononen zou kunnen opwekken om roosteruitbreiding en -contractie te induceren, om door licht geïnduceerde akoestische golven te verspreiden voor veel praktische toepassingen in optofluïdica en bio-imaging.

De huidige resultaten werden specifiek waargenomen sinds Lu et al. genereerde een gepulseerd licht-geïnduceerde Lamb-golf op de dunne gouden plaat die op het oppervlak van de microvezel was geplaatst, om de plaat over het microvezeloppervlak te verplaatsen. Ze verlichtten het fenomeen door eerst uit te leggen dat wanneer een gepulseerde laser wordt gefocust op een lijn op het oppervlak van een lichtabsorberende film, akoestische oppervlaktegolven bekend als Rayleigh-golven kunnen worden gegenereerd. Het gepulseerde licht wordt vervolgens geabsorbeerd door de film om het oppervlak plaatselijk te verwarmen, waardoor thermo-elastische uitzetting wordt veroorzaakt om akoestische oppervlaktegolven te genereren die lijmdeeltjes op het oppervlak kunnen reinigen. De Rayleigh-golf en Lamb-golf hebben vergelijkbare bewegingspatronen, daarom, bijvoorbeeld, wanneer de dikte van een film/plaat kleiner is dan de golflengte van een Rayleigh-golf, de Rayleigh-golf zal geleidelijk overgaan in een Lamb-golf.

Voor meer inzicht in het mechanisme, de wetenschappers voerden eindige elementen gekoppelde thermische en elastische simulaties uit. De resultaten bevestigden de experimentele resultaten en gaven aan dat de voortplantingsrichting van de Lamb-golf die in het plaat-microvezelsysteem werd gegenereerd, onafhankelijk was van de richting van de lichtvoortplanting in de microvezel.

Lu et al. stellen voor om de aldus ontwikkelde motor op nanoschaal te gebruiken op verschillende gebieden, waaronder micro-opto-elektromechanische systemen in de ruimte, tijdens energieomzetting en in vacuüm hoge precisie mechanica. De roterende plaat kan ook worden gebruikt als een scannende microspiegel om een ​​laserstraal af te buigen, zoals getoond in de studie, voor laserscanning in miniatuur lidar-systemen om de wereld in 3D in kaart te brengen of als laserweergavesystemen en optisch moduleren/schakelen voor geïntegreerde microsystemen. De nieuwe ontdekking van door licht aangedreven voortbeweging kan een nieuw tijdperk van optische aandrijving en manipulatie openen met een resolutie van sub-nanometer van voortbeweging voor gecontroleerde beweging. Het werk stelt natuurkundigen en materiaalwetenschappers in staat om het nieuwe landschap van optische nanomanipulatie te verkennen in omgevingen die een nieuw paradigma vereisen, buiten de bestaande op vloeistof gebaseerde functie.

© 2019 Wetenschap X Netwerk