Onderzoekers van de Chalmers University of Technology, Zweden, zijn erin geslaagd om kleine voertuigen te maken die alleen door licht worden aangedreven. Door een optisch meta-oppervlak op een microscopisch deeltje te leggen, en dan een lichtbron gebruiken om het te regelen, ze slaagden erin de kleine voertuigen op verschillende complexe en precieze manieren te verplaatsen - en zelfs om ze te gebruiken om andere objecten te vervoeren.

Licht heeft de inherente kracht om microscopisch kleine objecten te verplaatsen - een eigenschap die eerder werd gebruikt om het Nobelprijswinnende onderzoeksidee van "optisch pincet, " die een zeer gerichte laserstraal gebruiken om kleine deeltjes met ongelooflijke precisie te controleren en te manoeuvreren.

Nutsvoorzieningen, een onderzoeksgroep van de Chalmers University of Technology en de University of Göteborg heeft laten zien hoe zelfs een ongericht licht kan worden gebruikt om microscopisch kleine deeltjes op een gecontroleerde manier te manoeuvreren. Hun onderzoek is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

De onderzoekers vervaardigden voertuigen op een schaal van 10 micrometer breed en 1 micrometer dik - een duizendste van een millimeter. De voertuigen bestonden uit een klein deeltje, bedekt met iets dat bekend staat als een 'metasurface'. Metasurfaces zijn ultradunne arrangementen van zorgvuldig ontworpen en geordende nanodeeltjes, op interessante en ongebruikelijke manieren afgestemd op direct licht. Ze bieden fascinerende mogelijkheden voor gebruik in geavanceerde componenten voor optische toepassingen zoals camera's, microscopen en elektronische displays. Gebruikelijk, ze hebben de neiging om te worden gezien als stationaire objecten, waarbij het gebruik ervan wordt gezien als het vermogen om licht te beheersen en te beïnvloeden. Maar hier, de onderzoekers bekeken het andersom, onderzoeken hoe de krachten die het gevolg zijn van de verandering van het licht in momentum kunnen worden gebruikt om het meta-oppervlak te beheersen.

Als twee biljartballen die botsen

De onderzoekers namen hun microscopische voertuigen, die zij "metavehikels" noemden, " en legde ze op de bodem van een waterschaal, gebruikten vervolgens een losjes gefocusseerde laser om een ​​vlakke lichtgolf op hen te richten. Door een puur mechanisch proces - de warmte die door het licht wordt gegenereerd, speelt geen rol bij het effect - konden de voertuigen vervolgens in verschillende patronen worden verplaatst. Door de intensiteit en polarisatie van het licht aan te passen, de onderzoekers erin slagen de beweging en snelheid van de voertuigen met een hoge mate van precisie te controleren, navigeren ze in verschillende richtingen en complexe patronen, zoals cijfers van acht.

"Volgens de derde wet van Newton, voor elke actie is er een gelijke en tegengestelde reactie - dit betekent dat wanneer het licht het meta-oppervlak raakt, en wordt afgebogen in een nieuwe richting, het meta-oppervlak wordt ook in de andere richting weggeduwd. Stel je voor dat je pool speelt, wanneer twee ballen elkaar raken en in verschillende richtingen terugkaatsen. In dit geval, de fotonen en het meta-oppervlak zijn als die twee poolballen, " legt Mikael Käll uit, Professor bij de afdeling Natuurkunde aan de Chalmers University of Technology, co-auteur van het artikel en leider van het onderzoeksproject.

Andere kleine voorwerpen vervoeren

"De metavehikels waren stabiel, en hun navigatie was zeer voorspelbaar en controleerbaar. Met geavanceerde geautomatiseerde feedbacksystemen, en meer verfijnde controle van de intensiteit en polarisatie van het bronlicht, nog complexere navigatie mogelijk zou zijn, " legt Daniel Andrén uit, voorheen van de afdeling Natuurkunde in Chalmers en hoofdauteur van de studie.

De onderzoekers experimenteerden ook met het gebruik van de metavehikels als transporteurs, om kleine deeltjes rond de tank te duwen. De metavehikels bleken in staat om objecten, waaronder een microscopisch kleine polystyreenkraal en een gistdeeltje, met gemak door het water te transporteren. Ze slaagden er zelfs in een stofdeeltje te duwen dat 15 keer zo groot was als de metamotor zelf.

Momenteel, de praktische toepassingen van deze ontdekking kunnen een uitweg zijn. Maar het fundamentele karakter van het onderzoek maakt dat de waarde ervan misschien nog niet duidelijk is.

"Bij de verkenning van optische krachten, er zijn veel interessante effecten die nog niet volledig worden begrepen. Het zijn niet de applicaties die dit soort onderzoek stimuleren, maar verkenning van de verschillende mogelijkheden. In een aantal verschillende stadia die voor ons liggen, je weet nooit wat er gaat gebeuren. Maar het feit dat we hebben laten zien hoe de metavehikels kunnen worden gebruikt als transporteurs, is in eerste instantie de meest veelbelovende potentiële toepassing, bijvoorbeeld om deeltjes door celoplossingen te verplaatsen, " legt Mikael Käll uit.

Het onderzoek wordt gepresenteerd in het artikel "Microscopic Metavehicles Powered and Steered by Embedded Optical Metasurfaces" in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .