Microscopische metavehikels aangedreven door niets anders dan licht

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 vervolgens een lichtbron te gebruiken om het te besturen, slaagden ze erin de kleine voertuigen op verschillende complexe en precieze manieren te verplaatsen – en ze zelfs te gebruiken om andere objecten te vervoeren.

Licht heeft een inherente kracht om microscopisch kleine objecten te verplaatsen – een eigenschap die eerder werd gebruikt om het Nobelprijswinnende onderzoeksidee van ‘optische pincetten’ te ontwikkelen, die een zeer gerichte laserstraal gebruiken om kleine deeltjes met ongelooflijke precisie te besturen en te manoeuvreren.

Nu heeft een onderzoeksgroep van de Chalmers University of Technology en de University of Gotenburg aangetoond 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, afgestemd op direct licht op interessante en ongebruikelijke manieren. Ze bieden fascinerende mogelijkheden voor gebruik in geavanceerde componenten voor optische toepassingen zoals camera’s, microscopen en elektronische displays. Meestal worden ze gezien als stationaire objecten, waarbij het gebruik ervan wordt gezien als het vermogen om licht te beheersen en te beïnvloeden. Maar hier bekeken de onderzoekers 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 microscopisch kleine voertuigen, die ze ‘metavehikels’ noemden, en plaatsten ze op de bodem van een waterschaal, en gebruikten vervolgens een losjes gefocuste 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, slagen de onderzoekers erin de beweging en snelheid van de voertuigen met een hoge mate van precisie te regelen, ze in verschillende richtingen en complexe patronen, zoals figuren van acht, te navigeren.

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

Andere kleine voorwerpen vervoeren

“De metacellen waren stabiel en hun navigatie was zeer voorspelbaar en controleerbaar. Met geavanceerde geautomatiseerde feedbacksystemen en meer geavanceerde controle van de intensiteit en polarisatie van het bronlicht, zou een nog complexere navigatie mogelijk zijn”, legt Daniel Andrén, voorheen van de afdeling Natuurkunde van 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.

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

“Bij de verkenning van optische krachten zijn er veel interessante effecten die nog niet volledig worden begrepen. Het zijn niet toepassingen die dit soort onderzoek stimuleren, maar verkenning van de verschillende mogelijkheden. In een aantal verschillende stadia die voor ons liggen, weet je nooit wat 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.