Ученые создали микрошестерни, приводимые в движение лазером

Третья шестерня справа содержит оптический метаматериал, который реагирует на лазерный свет и приводит шестерню в движение. Все шестерни изготовлены из кремнезема непосредственно на чипе. Диаметр каждой шестерни составляет около 0,016 мм. Автор: Ган Ван

Исследователи из Гётеборгского университета создали шестерни микрометрового масштаба, приводимые в движение светом. Это открывает путь к созданию самых маленьких в истории моторов на чипе, которые могут поместиться внутри человеческого волоса.

Шестерни окружают нас повсюду — от часов и автомобилей до роботов и ветряных турбин. Более 30 лет исследователи пытались создавать всё меньшие шестерни для построения микро-двигателей. Но прогресс остановился на отметке 0,1 миллиметра, поскольку не удавалось построить необходимые приводные механизмы для их движения в меньших масштабах.

Исследователи из Гётеборгского университета и других учреждений теперь преодолели этот барьер, отказавшись от традиционных механических приводов и вместо этого используя лазерный свет для непосредственного приведения шестерен в движение.

Шестерни, приводимые светом

В своем новом исследовании ученые показали, что микроскопические машины могут управляться оптическими метаматериалами — небольшими структурированными материалами, которые могут захватывать и контролировать свет в наномасштабе. С использованием традиционной литографии шестерни с оптическим метаматериалом изготавливаются из кремния непосредственно на микрочипе, при этом диаметр шестерни составляет несколько десятков микрометров. Направляя лазер на метаматериал, исследователи могут заставить зубчатое колесо вращаться. Интенсивность лазерного света контролирует скорость, а также можно изменить направление вращения шестерни, изменив поляризацию света.

Таким образом, исследователи близки к созданию микромоторов.

Новый способ мышления

Мы построили зубчатую передачу, в которой шестерня, приводимая в движение светом, приводит в движение всю цепь. Шестерни также могут преобразовывать вращение в линейное движение, выполнять периодические движения и управлять микроскопическими зеркалами для отклонения света

Возможность интеграции таких машин непосредственно на чип и управления ими с помощью света открывает совершенно новые перспективы. Поскольку лазерный свет не требует фиксированного контакта с машиной и легко управляется, микромотор можно масштабировать до сложных микросистем.

Это принципиально новый способ мышления о механике в микромасштабе. Заменив громоздкие соединения светом, мы наконец можем преодолеть барьер размера

Размер клетки

С этими достижениями исследователи начинают представлять микро- и наномашины, которые могут управлять светом, манипулировать мелкими частицами или интегрироваться в будущие системы «лаборатория на чипе». Зубчатое колесо может быть размером всего 16-20 микрометров, и существуют человеческие клетки такого размера. Медицина — это область, которая находится в пределах досягаемости, считает Ган Ван.

Мы можем использовать новые микромоторы в качестве насосов внутри человеческого тела, например, для регулирования различных потоков. Я также изучаю, как они функционируют в качестве клапанов, которые открываются и закрываются.