Nieuwe licht aangedreven versnellingen passen in een haarlok

Onderzoekers van de Universiteit van Göteborg hebben op een micrometer-schaal lichte versnellingen gemaakt. Dit maakt de weg vrij voor de kleinste on-chip motoren in de geschiedenis, die in een haarlok kunnen passen. Het onderzoek is gepubliceerd in het dagboek Natuurcommunicatie.

Gears zijn overal – van klokken en auto’s tot robots en windturbines. Al meer dan 30 jaar proberen onderzoekers nog kleinere versnellingen te maken om micro-engines te bouwen. Maar de vooruitgang stond op 0,1 millimeter, omdat het niet mogelijk was om de drive -treinen te bouwen die nodig zijn om ze kleiner te maken.

Onderzoekers van de Göteborg University hebben onder andere nu door deze barrière gebroken door traditionele mechanische aandrijftreinen weg te dumpen en in plaats daarvan laserlicht te gebruiken om de tandwielen direct in beweging te zetten.

Grens aangedreven door licht

In hun nieuwe onderzoek tonen de onderzoekers aan dat microscopische machines kunnen worden aangedreven door optische metamaterialen – klein, patroonstructuren die licht op een nanoschaal kunnen vangen en regelen.

Met behulp van traditionele lithografie worden versnellingen met een optisch metamateriaal vervaardigd met silicium direct op een microchip, waarbij de versnelling een diameter van enkele tientallen micrometers heeft. Door een laser op het metamateriaal te schijnen, kunnen de onderzoekers de tandwielwiel laten draaien. De intensiteit van het laserlicht regelt de snelheid en het is ook mogelijk om de richting van het tandwiel te veranderen door de polarisatie van het licht te veranderen.

De onderzoekers zijn dus dicht bij het creëren van micromotoren.

Een nieuwe manier van denken

“We hebben een tandwieltrein gebouwd waarin een licht aangedreven versnelling de hele ketting in beweging zet. De tandwielen kunnen ook rotatie omzetten in lineaire beweging, periodieke bewegingen uitvoeren en microscopische spiegels besturen om licht af te breiden”, zegt de eerste auteur van de studie, Gan Wang, een onderzoeker in zachte materie aan de universiteit van Göteborg.

De mogelijkheid om dergelijke machines rechtstreeks in een chip te integreren en ze met licht te drijven, wordt volledig nieuwe mogelijkheden opent. Omdat laserlicht geen vast contact met de machine vereist en gemakkelijk te bedienen is, kan de micromotor worden opgeschaald naar complexe microsystemen.

“Dit is een fundamenteel nieuwe manier van denken over mechanica op een microschaal. Door omvangrijke koppelingen te vervangen door licht, kunnen we eindelijk de groottebarrière overwinnen”, zegt Gan Wang.

Celgrootte

Met deze vorderingen beginnen onderzoekers zich micro- en nanomachines voor te stellen die licht kunnen regelen, kleine deeltjes manipuleren of worden geïntegreerd in toekomstige laboratorium-op-a-chip-systemen.

Een tandwiel kan zo klein zijn als 16-20 micrometer en er zijn menselijke cellen van die grootte. Geneeskunde is een veld dat binnen handbereik is, gelooft Gan Wang.

“We kunnen de nieuwe micromotoren gebruiken als pompen in het menselijk lichaam, bijvoorbeeld om verschillende stromen te reguleren. Ik kijk ook naar hoe ze functioneren als kleppen die open en sluiten.”