Nanomotoren aangestuurd met laserlicht

Onderzoekers van het Institute of Industrial Science, de University of Tokyo (UTokyo-IIS) hebben nieuwe lineaire nanomotoren ontworpen die met licht in gecontroleerde richtingen kunnen worden bewogen. Dit werk maakt de weg vrij voor nieuwe microfluïdica, waaronder lab-on-a-chip-systemen met optisch aangedreven pompen en kleppen.

De wereld van machines op nanoschaal ziet er heel anders uit dan die met de apparaten waaraan we gewend zijn geraakt. Het aandrijven en nauwkeurig besturen van een motor die kleiner is dan een enkele bacterie kan bijvoorbeeld veel moeilijker zijn dan bijvoorbeeld autorijden.

Nu heeft een team van wetenschappers onder leiding van UTokyo-IIS een systeem van lineaire motoren geïntroduceerd gemaakt van gouden nanostaafjes die in een gecontroleerde richting kunnen bewegen wanneer ze worden blootgesteld aan laserlicht. Als een zeilboot die door het verstellen van de tuigage in elke gewenste richting kan bewegen, worden deze nanomotoren niet gedwongen de richting van het licht te volgen. Ze bewegen eerder op basis van hun oriëntatie, zelfs wanneer ze worden blootgesteld aan een laserstraal die vanuit een andere hoek beweegt.

De beweging wordt aangedreven door de laterale optische kracht die wordt gecreëerd door de zijwaartse verstrooiing van licht van de deeltjes. Het resultaat is dat de noodzaak om de laserstraal met lenzen te focussen of te vormen, wat ooit een moeilijke taak was, wordt geëlimineerd. Bovendien worden de motorgroottes niet beperkt door de golflengte van het licht, in tegenstelling tot eerdere apparaten.

“In plaats van zich te beperken tot het bewegen in de richting van laserlicht of de veldgradiënt, wordt de richting bepaald door de oriëntatie van de nanodeeltjes zelf”, zegt eerste auteur Yoshito Tanaka. De sleutel tot deze technologie is de gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie – collectieve oscillaties van vrije elektronen – binnen periodieke reeksen nanostaafjes. Deze kunnen strooilicht in een bepaalde richting produceren. “Zorgvuldig ontwerp van de scheiding tussen nanostaafjes leidt tot constructieve interferentie in de ene richting en destructieve interferentie in de andere. Hierdoor kunnen we gerichte verstrooiing produceren om de nanomotor voort te stuwen”, zegt senior auteur Tsutomu Shimura.

De onderzoekers stellen zich voor om deze technologie te gebruiken om een ​​nieuw platform te creëren voor machines van nanoformaat met bewegende delen die vooraf bepaalde paden volgen terwijl ze worden voortgeduwd door ongericht licht. Dit zal de kosten en complexiteit van deze apparaten aanzienlijk verminderen en tegelijkertijd de precisie en betrouwbaarheid verbeteren.

Het werk is gepubliceerd in Science Advances als “Plasmonische lineaire nanomotor die laterale optische krachten gebruikt.”