5 Minuten
Micrometer-scale gears powered by laser light
Geteborgo universitetas pranešė apie proveržį mikroskopinėje mechanikoje: tyrėjai pagamino lazeriu varomas pavarų ratukus, pakankamai mažus, kad tilptų ant žmogaus plauko. Pakeitę įprastus mechaninius sukabinimus optiniu aktyvavimu, komanda sukūrė silikatinės medžiagos pavaras ant plokštelės, kurių skersmuo tesiekia kelias dešimtis mikrometrų, ir parodė valdomą sukimąsi, krypties pakeitimą bei mechaninį darbą šiame skalėje.
Trečias ratukas iš dešinės turi optinę metamedižiagą, kuri reaguoja į lazerio šviesą ir verčia ratuką judėti. Visi ratukai pagaminti iš silikato tiesiai ant plokštelės. Kiekvieno ratuko skersmuo yra apie 0.016 mm. Kreditas: Gan Wang
Šie mikro‑ratukai gaminami standartine litografija ir įterpia raštuotas optines metamedižiagas — nanometrinius struktūras, kurios surenka ir valdo krintančią lazerio šviesą. Apšvietus, metamedižiaga paverčia šviesą lokalizuotomis jėgomis ir momentais, kurie sukteli ratą. Keisdami lazerio intensyvumą tyrėjai reguliuoja sukimosi greitį; keisdami poliarizaciją — sukimosi kryptį. Šis bekontaktis metodas pašalina poreikį tradicinėms mechaninėms pavaroms, kurios ilgą laiką ribojo variklių mažinimą žemiau 0,1 mm.
How the light-actuated micromotors work
Optinės metamedižiagos yra suprojektuotos subbanginių savybių masyvai, kurie keičia šviesos impulsą ir lauko pasiskirstymą. Geteborgo įrenginiuose šie raštai integruoti į silikatinę pavarą, išlietas tiesiai ant silicio plokštės. Kai fokusuotas lazerio spindulys pataiko į metamedižiagos plotelį, susidaro asimetriškas sklidimas ir netoli lauko jėgos, kurios sukuria rato momentą. Parenkant metamedižiagos geometriją ir lazerio parametrus (intensyvumą, poliarizaciją, spindulio poziciją), tyrėjai gali nustatyti sukimosi greitį, kryptį ir persiuntimą į gretimus mechaninius elementus.
Kadangi aktyvacija vyksta optiškai, o ne mechaniniu būdu, variklio signalas perduodamas be fizinio kontakto. Tai supaprastina dizainą ir leidžia tankią integraciją ant plokštelės: vienas šviesa valdomas ratukas gali užvesti gretimus ratukus ar sujungtus komponentus į judesį. Komanda taip pat parodė sukimosi pavertimą tiesiniu judesiu ir periodinius micromechaninius svyravimus, bei kad ratukai gali valdyti mikroskopinius veidrodėlius šviesos lokalizavimui — naudingą integruotai fotonikai ir jutikliams.
Scientific context and implications for microdevices
Mikro‑ ir nanomašinos buvo intensyvių tyrimų objektas dešimtmečius, taikant nuo mikrofluidinių siurblių iki „lab-on-a-chip“ sistemų ir tikslinių biomedicinos įrenginių. Naujas požiūris sprendžia svarbią mastelio problemą: tradicinėse pavarų sistemose reikia vietos ašims, guoliams ir sukabinimams, kurie tampa nepraktiški žemose dimensijose. Optinė aktyvacija pakeičia masyvias jungtis šviesos spinduliais, leidžiant varikliams turėti geometrines savybes, panašias į atskiras žmogaus ląsteles (maždaug 16–20 µm), ir atveriant dizaino galimybes sudėtingiems mikrosistemams.
Galimos taikymo sritys apima optinius jungiklius ir moduliatorius fotoninėse mikroschemos, dalelių manipuliaciją mikrofluidikoje ir implantuojamus arba injekuojamus mikroįrenginius medicinoje. Tyrėjai ypatingai pabrėžia medicininius vaidmenis, tokius kaip mikromastelio siurbliai ar vožtuvai, reguliuojantys skysčių srautus audiniuose, arba diagnostinės „lab-on-a-chip“ platformos, kurioms reikalinga integruota mechaninė kontrolė.
Experiment details and fabrication
Įrenginiai pagaminti naudojant patikrintas litografines metodikas, raštuojant silikatines ir silicio sluoksnius ant plokštelės. Metamedižiagos ploteliai apibrėžti nanomasteliu, kad suteiktų pageidaujamą optinį atsaką apšvietus matoma arba arti infraraudonųjų spindulių lazeriu. Eksperimentuose komanda reguliavo lazerio galią ir poliarizaciją, kad parodytų kontroliuojamą paleidimą/stabdymą, greičio moduliavimą ir pavaros krypties keitimą. Plokšteles stebėjo mikroskopu, siekiant patvirtinti mechaninį susijungimą tarp ratukų ir pamatuoti atsako laikus bei momento įverčius.
Šis darbas jungia tarpdisciplinines technikas iš minkštosios medžiagos fizikos, nanogamybos ir optikos, ir nurodo į mastuojamą integraciją su esamomis puslaidininkių technologijomis.
Expert Insight
Dr. Elena Márquez, mikrofluidikos inžinerė biomedicinos tyrimų institute (ne dalyvavo tyrime), sako: „Mechaninių jungčių pakeitimas optine kontrole yra protingas būdas įveikti fizines miniatiūrinių pavarų ribas. Medicininiuose mikroįrenginiuose galimybė nuotoliniu būdu paleisti siurblius ar vožtuvus šviesa gali supaprastinti implantaciją ir valdymą. Svarbiausi tolimesni žingsniai bus biokompatibilumo, galios perdavimo audiniuose ir ilgalaikio patikimumo vertinimas.“
Key discoveries and future prospects
Pagrindinis pasiekimas yra patikimas, atstatomas ir valdomas mikrometrinių ratukų sukimasis, varomas tik šviesa, bei jų integracija ant plokštelės su galimybe mechaninio sujungimo su gretimais komponentais. Tolimesni tyrimų keliai apima metamedižiagų dizaino optimizavimą didesniam momentui, funkcionalumo išplėtimą iki nanodalelių, optinės aktyvacijos derinimą su elektriniais ar cheminiais jutikliais, ir našumo patvirtinimą biologinėse aplinkose.
Nors išlieka iššūkių — lazerio galios tiekimas in vivo, užtikrinant patikimą darbą skystinėse ar biologinėse terpėse ir integruojant nuskaitymo elektroniką — šis požiūris siūlo kelią link tikrų mikroskopinių mašinų, galinčių veikti atskiros ląstelės skalėje.
Conclusion
Šviesa valdomi mikromotorai iš silikatinės pavaros su integruotomis optinėmis metamedižiagomis žymi reikšmingą žingsnį link funkcionalios mikroskalės mechanikos. Išnaudodami lazerio šviesą bekontakčiam aktyvavimui, tyrėjai įveikė pagrindinį dydžio barjerą pavaromis valdomoms sistemoms ir atvėrė naujas galimybes „lab-on-a-chip“ technologijoms, integruotai fotonikai ir potencialiems medicininiams įrenginiams, tokiems kaip mikrosiurbliai ir vožtuvai. Tolimesnė metamedižiagų geometrijų, galios tiekimo strategijų ir biokompatibilių pakuočių plėtra nulems, kada šie mikromotorai pereis nuo laboratorinių demonstracijų prie praktinių taikymų.
Quelle: sciencedaily
Kommentar hinterlassen