3-dimensional plasmonic nanomotors enabled by independent integration of Optical Pulling and Lateral Forces

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der Licht Dinge nicht nur beleuchtet, sondern sie wie unsichtbare Hände schiebt und zieht. Dies ist das Reich der optischen Manipulation, ein Zweig der Physik, in dem Wissenschaftler den winzigen Impuls von Photonen nutzen, um mikroskopische Objekte zu bewegen. Sie haben vielleicht schon von „optischen Pinzetten“ gehört, die eng gebündelte Laserstrahlen verwenden, um winzige Partikel zu greifen und festzuhalten, ganz ähnlich wie ein Paar Pinzetten aus Licht. Diese Werkzeuge haben jedoch meist eine kurze Reichweite und haben Schwierigkeiten, Objekte zum Lichtquell hin zu ziehen; sie sind eher gut darin, Dinge vom Licht wegzuschieben. Während Wissenschaftler bereits Wege gefunden haben, winzige Maschinen mithilfe von Licht seitwärts zu bewegen, war es ein hartnäckiges Rätsel, sie entlang des Pfades des Strahls vorwärts und rückwärts zu bewegen – insbesondere gegen den natürlichen Druck des Lichts. Die Lösung dieses Problems wäre ein Wendepunkt für den Bau mikroskopischer Roboter, die in der Lage wären, in Flüssigkeiten zu navigieren, Chemikalien zu mischen oder Fracht im Körper zu transportieren, ohne auf Batterien oder Kabel angewiesen zu sein.

In dieser Studie haben die Forscher Guillermo Serrera, Yoshito Y. Tanaka und Pablo Albella einen theoretischen „Nanomotor“ entworfen, der endlich das Unmögliche leisten kann: sich unabhängig in drei Dimensionen mithilfe von Licht zu bewegen. Sie erschufen ein winziges, zylindrisches Glasboot, das von einem speziellen Laserstrahl vorwärts gezogen werden kann, während es gleichzeitig winzige Metall-„Segel“ besitzt, die es ermöglichen, mit einer anderen Art von Licht nach links oder rechts zu steuern. Das Team nutzte Computersimulationen, um zu beweisen, dass dieses Design funktioniert, wobei sie zeigten, dass der Motor einfach durch Ändern der Farbe oder der Polarisation des Lichts, das auf ihn trifft, gezogen, geschoben oder gesteuert werden kann. Am wichtigsten war ihre Erkenntnis, dass dieses winzige Boot überraschend stabil ist; selbst wenn es aufgrund des zufälligen Herumwirbelns von Wassermolekülen wackelt oder vom Kurs abkommt, führen die Lichtkräfte es sanft zurück auf seinen Pfad, sodass es über lange Distanzen reibungslos reisen kann.

Das unsichtbare Tauziehen

Um zu verstehen, wie dieser Nanomotor funktioniert, stellen Sie sich einen winzigen Glaszylinder vor, der in Wasser schwimmt, etwa so groß wie ein Bakterium. Normalerweise, wenn man eine Taschenlampe auf ein Boot leuchten lässt, prallt das Licht ab und drückt das Boot weg. Dies ist die „schiebende“ Kraft des Lichts, die leicht zu verstehen ist. Die Forscher wollten jedoch eine „ziehende“ Kraft erzeugen, bei der das Licht das Boot packt und zur Quelle hin zieht. Dies ist kontraintuitiv, so als würde man versuchen, einen Schlitten zu sich heranzuziehen, indem man eine Taschenlampe darauf leuchtet.

Um dies zu erreichen, verwendeten die Forscher einen speziellen Laserstrahl, einen sogenannten azimutalen polarisierten Bessel-Strahl. Stellen Sie sich einen regulären Taschenlampenstrahl als einen massiven Kegel aus Licht vor. Ein Bessel-Strahl ist anders; er sieht aus wie ein Ring aus Licht mit einem dunklen Zentrum und kann eine lange Strecke zurücklegen, ohne sich auszubreiten. Wenn dieser spezifische, ringförmige Strahl auf den Glaszylinder trifft, geschieht etwas Magisches. Das Licht tritt in das Glas ein, reflektiert darin wie eine Welle in einem Rohr und tritt so aus, dass das Licht „kollimiert“ oder gestreckt wird. Diese Änderung der Lichtrichtung erzeugt einen Rückstoßeffekt, der den Zylinder nach hinten, also zum Laser hin, zieht. Das Team fand heraus, dass dies am besten funktioniert, wenn der Zylinder eine bestimmte Länge und Breite hat und der Laser in einem spezifischen Winkel auftrifft. In ihren Simulationen konnte ein Zylinder mit einer Länge von 3 Mikrometern und einem Durchmesser von 1,77 Mikrometern mit einer Kraft von -1,2 Pikonewton (ein Pikonewton ist eine Billionstel Newton, eine Kraft, die so klein ist, dass sie schwer vorstellbar ist, aber riesig für etwas so Winziges) gezogen werden.

Die Steuersegel

Stellen Sie sich nun vor, dieser Glaszylinder ist ein Boot, das sich aber nur vorwärts oder rückwärts bewegen kann. Wie bringen wir es dazu, nach links oder rechts zu steuern? Die Forscher fügten eine zweite Ebene der Technologie hinzu: plasmonische Dimere. Dies sind Paare winziger Goldstäbe, geformt wie Miniatur-Ruder, die in den Glaszylinder eingebettet sind.

Betrachten Sie diese Goldstäbe als Segel, die nur dann Wind fangen, wenn der Wind aus einer bestimmten Richtung weht. Wenn die Forscher eine standardmäßige, flache Lichtwelle (eine ebene Welle) auf den Nanomotor richten, streuen die Goldstäbe das Licht ungleichmäßig. Wenn das Licht in eine Richtung polarisiert (orientiert) ist, drücken die Stäbe das Boot seitlich. Wenn man die Polarisation des Lichts dreht, steuert das Boot in die entgegengesetzte Richtung. Das Team simulierte, dass diese Stäbe Lateralkräfte von etwa 0,1 Pikonewton erzeugen können, was ausreicht, um das zufällige Herumwirbeln von Wassermolekülen (Brownsche Molekularbewegung) zu überwinden und das Boot stetig zu bewegen.

Der clevere Teil des Designs ist, dass diese beiden Systeme sich nicht gegenseitig behindern. Die Goldstäbe sind senkrecht zum speziellen Bessel-Strahl ausgerichtet, der zum Ziehen verwendet wird. Das bedeutet, dass der ziehende Strahl direkt durch die Stäbe hindurchgeht, ohne diese auszulösen, sodass das Boot vorwärts gezogen werden kann, ohne dass die Stäbe im Weg sind. Umgekehrt interagiert das flache Lichtwellen-System, das zur Steuerung verwendet wird, nicht mit dem Ziehmechanismus. Es ist wie ein Motor, der das Auto vorwärts antreibt, und ein separates Lenkrad, das es lenkt, wobei beide durch unterschiedliche Schlüssel gesteuert werden.

Stabilität in einer wackeligen Welt

Eine der größten Herausforderungen für winzige Maschinen ist die Stabilität. In Wasser stoßen Dinge ständig zusammen und wirbeln umher. Wenn der Lichtstrahl leicht außermittig ist oder das Boot kippt, wird es sich dann verlieren? Die Forscher führten tausende Computersimulationen durch, um zu sehen, wie sich ihr Nanomotor im Laufe der Zeit verhalten würde.

Sie fanden heraus, dass das System unglaublich robust ist. Selbst wenn das Boot 150 bis 200 Nanometer vom Zentrum des Strahls abweicht oder um bis zu 20 Grad kippt, wirken die Lichtkräfte wie eine sanfte Feder, die das Boot zurück in die Mitte drückt und dreht. Die Simulationen zeigten, dass das Boot um das Zentrum des Strahls vor und zurück pendeln würde, aber in der „Ziehhilfenzone“ gefangen bliebe. Über eine simulierte Zeit von 1 Sekunde legten die Nanomotoren Distanzen von etwa 11 bis 18 Mikrometern zurück. Das klingt kurz, ist aber im Verhältnis zur Größe des Bootes selbst eine beachtliche Geschwindigkeit.

Das Team stellte auch fest, dass die Bewegung des Bootes so stabil ist, dass es das zufällige Chaos des Wassers bewältigen kann, ohne durcheinandergewirbelt zu werden. Die durch die Lichtkräfte erzeugten „Potentialtöpfe“ sind tief genug (über 10 Mal die Energie des thermischen Wirbelns), um das Boot auf Kurs zu halten. Dies deutet darauf hin, dass diese Nanomotoren in einem realen Szenario zuverlässig genug sein könnten, um Aufgaben wie das Mischen von Flüssigkeiten oder das Bewegen von Fracht in einem Lab-on-a-Chip-Gerät auszuführen.

Was das bedeutet

Diese Arbeit schlägt nicht nur eine coole Idee vor; sie liefert einen detaillierten theoretischen Bauplan für einen 3D-Nanomotor, der unabhängig in alle Richtungen gesteuert werden kann. Die Forscher schlossen explizit die Idee aus, dass man komplexe, kurzreichweitige Strahlen oder interne Blasen benötigt, um Ziehkräfte zu erzeugen; statlich zeigten sie, dass ein einfacher Glaszylinder und ein spezifischer Laserstrahl die Aufgabe erfüllen können. Sie demonstrierten auch, dass man nicht die Ziehkraft opfern muss, um Steuerbarkeit zu erhalten; beides kann in demselben winzigen Objekt koexistieren.

Obwohl diese Arbeit derzeit eine Simulation ist und noch nicht in einem Labor gebaut wurde, sind die vorgeschlagenen Materialien (wie Glas, SU-8 oder Aluminiumoxid) und die Fertigungstechniken (wie Elektronenstrahllithografie) Dinge, die Wissenschaftler heute bereits beherrschen. Die Autoren sind zuversichtlich, dass dieser Entwurf mit dem richtigen Setup eine neue Ära der mikroskopischen Robotik eröffnen könnte, in der Licht sowohl als Motor als auch als Lenkrad fungiert und winzige Maschinen durch die komplexen Flüssigkeiten unserer Welt führt.