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光驱动的微型超车辆

发布时间:2021-09-28 23:01:14

瑞典查尔默斯技术大学的研究人员成功地制造出了除了光之外没有其他动力的微型车辆。通过将光学超表面分层到微观粒子上,然后使用光源进行控制,他们成功地以各种复杂而精确的方式移动了微小的载体,甚至用它们来运输其他物体。

光具有移动微观物体的固有能力——这一特性曾被用于发展诺贝尔奖获得者的“光镊”研究理念,它使用高度聚焦的激光束以难以置信的精度控制和操纵微小粒子。

现在,查尔默斯技术大学和哥德堡大学的一个研究小组已经展示了即使是未聚焦的光也能如何以可控的方式操纵微小粒子。他们的研究最近发表在《自然纳米技术》杂志上。

研究人员制造了10微米宽、1微米厚、千分之一毫米的汽车。这些载体由一个微小的颗粒组成,表面覆盖着一层称为“超表面”的物质。“超表面是由精心设计和有序的纳米颗粒组成的超薄排列,以有趣和不同寻常的方式适应直射光。它们为先进的光学元件(如照相机、显微镜和电子显示器)的应用提供了诱人的可能性。通常,它们往往被认为是静止的物体,其用途被视为控制和影响光线的能力。但是在这里,研究人员从另一个角度来研究,研究如何利用光的动量变化产生的力来控制超表面。

就像两个台球相撞

研究人员将他们的微观载体(他们称之为“超载体”)放在一个水盘的底部,然后用一个松散聚焦的激光将一个平面光波指向它们。通过纯粹的机械过程,光产生的热量不会影响车辆以各种模式移动。通过调整光的强度和偏振度,研究人员成功地以高精度控制了车辆的运动和速度,在不同方向和复杂模式(如八字图)中导航。

“根据牛顿第三定律,每一个动作都有一个相等且相反的反作用力,这意味着当光线照射到元表面,并朝一个新的方向偏转时,元表面也会朝另一个方向被推开。想象一下打台球,当两个球相互撞击并朝不同的方向反弹时。在这种情况下“光子和Meta表面就像两个池球一样,”查尔默斯技术大学物理学系教授、研究项目的文章和领导者的共同作者Mikael K解释说。

运输其他小物件

Daniel Andrén解释说:“超载体是稳定的,它们的导航是高度可预测和可控的。有了先进的自动反馈系统,以及对光源强度和偏振度的更精密控制,就有可能实现更复杂的导航。”,曾任查默斯大学物理系教授,该研究的主要作者。

研究人员还尝试使用超载体作为运输工具,将小颗粒推到坦克周围。事实证明,这种超载体能够轻松地在水中运输物体,包括微观聚苯乙烯珠和酵母颗粒。他们甚至成功地推动了一个比超载体本身大15倍的尘埃粒子。

目前,这一发现的实际应用可能还有一段路要走。但这项研究的基本性质意味着它的价值可能还不明显。

“在光学力的探索中,有许多有趣的效应尚未被完全理解。推动这类研究的不是应用,而是对不同可能性的探索。在未来的许多不同阶段,你永远不知道会发生什么。但事实上,我们展示了如何将超车辆用作转运体最初是最有希望的潜在应用,例如在细胞溶液中移动粒子,”Mikael Käll解释道。

这项研究发表在《自然纳米技术》杂志的文章“由嵌入式光学超表面驱动和操纵的微观超车辆”中。

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