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

Stel je een wereld voor waarin licht niet alleen dingen verlicht, maar ze ook duwt en trekt als onzichtbare handen. Dit is het domein van optische manipulatie, een tak van de natuurkunde waarbij wetenschappers de minuscule impuls van fotonen gebruiken om microscopische objecten te bewegen. Je hebt misschien wel eens gehoord van "optische pincetten", die nauw gefocuste laserstralen gebruiken om kleine deeltjes vast te grijpen en vast te houden, net als een pincet gemaakt van licht. Deze instrumenten hebben echter meestal een kort bereik en hebben moeite om objecten naar de lichtbron toe te trekken; ze zijn beter in het wegduwen van dingen. Hoewel wetenschappers hebben uitgevogeld hoe ze kleine machines zijwaarts kunnen laten bewegen met behulp van licht, is het krijgen van bewegingen voorwaarts en achterwaarts langs het pad van de straal — vooral tegen de natuurlijke duw van het licht in — een hardnekkig puzzelstuk geweest. Het oplossen hiervan zou een gamechanger zijn voor het bouwen van microscopische robots die door vloeistoffen kunnen navigeren, chemicaliën kunnen mengen of lading kunnen afleveren in het lichaam zonder dat ze batterijen of draden nodig hebben.

In dit onderzoek hebben onderzoekers Guillermo Serrera, Yoshito Y. Tanaka en Pablo Albella een theoretische "nanomotor" ontworonden die eindelijk het onmogelijke kan doen: onafhankelijk bewegen in drie dimensies met behulp van licht. Ze creëerden een klein, cilindrisch glazen bootje dat voorwaarts getrokken kan worden door een speciaal type laserstraal, terwijl er tegelijkertijd kleine metalen "zeilen" aan zijn bevestigd die het toestaan om naar links of rechts te sturen met een ander soort licht. Het team gebruikte computersimulaties om te bewijzen dat dit ontwerp werkt, waarbij werd aangetoond dat de motor simpelweg kan worden getrokken, geduwd of gestuurd door de kleur of polarisatie van het licht dat op het object valt te veranderen. Het belangrijkste is dat ze ontdekten dat dit kleine bootje verrassend stabiel is; zelfs als het wiebelt of uit koers raakt door het willekeurige geschud van watermoleculen, leiden de lichtkrachten het zachtjes terug naar zijn pad, waardoor het soepel over lange afstanden kan reizen.

De Onzichtbare Touwtrekkerij

Om te begrijpen hoe deze nanomotor werkt, moeten we ons een kleine glazen cilinder voorstellen die in water drijft, ongeveer zo groot als een bacterie. Normaal gesproken, als je een zaklamp op een boot schijnt, kaatst het licht van de boot af en duwt de boot weg. Dit is de "duwende" kracht van licht, wat gemakkelijk te begrijpen is. Maar de wetenschappers wilden een "trekkende" kracht creëren, waarbij het licht de boot grijpt en hem naar de bron toe sleept. Dit is contra-intuïtief, zoals proberen een slee naar je toe te trekken door er een zaklamp op te schijnen.

Om dit te bereiken, gebruikten de onderzoekers een speciale laserstraal genaamd een azimutale gepolariseerde Bessel-straal. Stel je een gewone zaklampstraal voor als een solide kegel van licht. Een Bessel-straal is anders; het ziet eruit als een ring van licht met een donker centrum, en het kan een lange afstand afleggen zonder uit te waaieren. Wanneer deze specifieke ringvormige straal de glazen cilinder raakt, gebeurt er iets magisch. Het licht gaat de cilinder binnen, kaatst binnenin rond als een golf in een pijp, en verlaat de cilinder op een manier die het licht "collimateert" of rechtzet. Deze verandering in de richting van het licht creëert een terugslageffect dat de cilinder naar achteren trekt, richting de laser. Het team kwam erachter dat voor dit proces het beste werkt, de cilinder een specifieke lengte en breedte moet hebben, en de laser onder een specifieke hoek moet raken. In hun simulaties kon een cilinder met een lengte van 3 micrometer en een diameter van 1,77 micrometer worden getrokken met een kracht van -1,2 piconewton (een piconewton is één biljoenste van een Newton, een kracht die zo klein is dat het moeilijk voor te stellen is, maar enorm voor iets dat zo klein is).

De Stuurzeilen

Stel je nu voor dat deze glazen cilinder een boot is, maar hij kan alleen vooruit of achteruit bewegen. Hoe laten we hem naar links of rechts draaien? De onderzoekers voegden een tweede laag technologie toe: plasmonische dimeren. Dit zijn paren kleine gouden staven, gevormd als miniaturen van riemen, ingebed in de glazen cilinder.

Beschouw deze gouden staven als zeilen die alleen de wind vangen wanneer de wind vanuit een specifieke richting waait. Wanneer de onderzoekers een standaard, vlakke lichtgolf (een vlakke golf) op de nanomotor schijnen, verspreiden de gouden staven het licht ongelijkmatig. Als het licht gepolariseerd (georiënteerd) is in één richting, duwen de staven de boot opzij. Als je de polarisatie van het licht roteert, stuurt de boot in de tegenovergestelde richting. Het team simuleerde dat deze staven laterale krachten van ongeveer 0,1 piconewton konden generen, wat genoeg is om het willekeurige geschud van watermoleculen (Brownse beweging) te overwinnen en de boot gestaag te bewegen.

Het slimme deel van het ontwerp is dat deze twee systemen elkaar niet in de weg zitten. De gouden staven zijn loodrecht op de speciale Bessel-straal georiënteerd die wordt gebruikt voor het trekken. Dit betekent dat de trekkende straal recht door de staven gaat zonder deze te activeren, zodat de boot voorwaarts getrokken kan worden zonder dat de staven in de weg zitten. Omgekeerd, wanneer de vlakke lichtgolf wordt gebruikt voor het sturen, verstoort deze het trekkmechanisme niet. Het is als het hebben van een motor die de auto vooruit stuurt en een apart stuur dat de auto laat draaien, waarbij beide worden bediend door verschillende sleutels.

Stabiliteit in een Wankele Wereld

Een van de grootste uitdagingen voor kleine machines is stabiliteit. In water botsen dingen constant tegen elkaar en trillen ze om elkaar heen. Als de lichtstraal iets uit het midden is, of als de boot kantelt, zal hij dan de weg kwijtraken? De onderzoekers voerden duizenden computersimulaties uit om te zien hoe hun nanomotor zich in de loop van de tijd zou gedragen.

Ze ontdekten dat het systeem ongelooflijk robuust is. Zelfs als de boot 150 tot 200 nanometer uit het midden van de straal drijft of tot 20 graden kantelt, werken de lichtkrachten als een zachte veer die de boot terug naar het midden duwt en draait. De simulaties toonden aan dat de boot heen en weer zou oscilleren rond het midden van de straal, maar dat hij in de "trekkzone" zou blijven. Over een gesimuleerde tijd van 1 seconde legden de nanomotoren afstanden af van ongeveer 11 tot 18 micrometer. Hoewel dit kort klinkt, is het in werkelijkheid vele malen de lengte van de boot zelf, wat betekent dat hij een behoorlijke snelheid heeft voor zijn omvang.

Het team merkte ook op dat de beweging van de boot zo stabiel is dat hij de willekeurige chaos van water kan weerstaan zonder uit koers te raken. De "potentiaalputten" die door de lichtkrachten worden gecreëerd, zijn diep genoeg (meer dan 10 keer de energie van thermische trillingen) om de boot op koers te houden. Dit suggereert dat deze nanomotoren in een echte scenario betrouwbaar genoeg zouden kunnen zijn om taken uit te voeren zoals het mengen van vloeistoffen of het verplaatsen van lading in een lab-on-a-chip apparaat.

Wat dit Betekent

Dit artikel suggereert niet alleen een cool idee; het biedt een gedetailleerd theoretisch blauwdruk voor een 3D-nanomotor die onafhankelijk in alle richtingen kan worden bestuurd. De onderzoekers hebben expliciet de mogelijkheid uitgesloten dat men complexe, kort bereikende stralen of interne bellen nodig heeft om trekkende krachten te krijgen; in plaats daarvan hebben ze aangetoond dat een eenvoudige glazen cilinder en een specifieke laserstraal de klus kunnen klaren. Ze hebben ook aangetoond dat je geen trekkracht hoeft op te offeren om stuurvermogen te krijgen; beide kunnen naast elkaar bestaan in hetzelfde kleine object.

Hoewel dit werk momenteel een simulatie is en nog niet in een laboratorium is gebouwd, zijn de voorgestelde materialen (zoals glas, SU-8 of aluminiumoxide) en de fabricagetechnieken (zoals elektronenstraallithografie) zaken die wetenschappers vandaag de dag al kunnen uitvoeren. De auteurs zijn er vol vertrouwen over dat dit ontwerp, met de juiste opstelling, een nieuw tijdperk van microscopische robotica kan ontsluiten, waarbij licht fungeert als zowel de motor als het stuur, en kleine machines door de complexe vloeistoffen van onze wereld leidt.