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仅由光驱动的微型超车

瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员已成功制造出仅由光驱动的微型车辆。通过将光学超表面分层到微观粒子上,然后使用光源对其进行控制,他们成功地以各种复杂而精确的方式移动微型车辆,甚至使用它们来运输其他物体。

光具有移动微观物体的固有能力——这一特性以前用于开发诺贝尔奖获得者“光学镊子”的研究理念,它使用高度聚焦的激光束以令人难以置信的精度控制和操纵微小颗粒。

现在,查尔姆斯理工大学和哥德堡大学的一个研究小组已经展示了如何使用未聚焦的光以受控方式操纵微观粒子。他们的研究最近发表在《自然纳米技术》杂志上。

研究人员制造的车辆尺寸为 10 微米宽和 1 微米厚——千分之一毫米。这些车辆由一个微小的颗粒组成,上面涂有一种被称为“超表面”的东西。超表面是精心设计和有序的纳米颗粒的超薄排列,专门用于以有趣和不寻常的方式引导光。它们为先进组件的使用提供了令人着迷的可能性用于光学应用,如照相机、显微镜和电子显示器。通常,它们往往被认为是静止的物体,它们的用途被视为控制和影响光的能力。但在这里,研究人员从另一个角度看待它,研究光产生的力是如何产生的”

就像两个撞球

研究人员将他们称为“元车辆”的微型车辆放在水盘底部,然后使用松散聚焦的激光将平面光波引导到它们上。通过纯粹的机械过程——光产生的热量在效果中没有任何作用——然后车辆可以以各种模式移动。通过调整光的强度和偏振,研究人员成功地以高精度控制车辆的运动和速度,在不同的方向和复杂的模式(例如八字形)上导航。

“根据牛顿第三定律,对于每一个动作都有一个相等且相反的反应——这意味着当光照射到超表面,并在一个新的方向上偏转时,超表面也被推向另一个方向. 想象一下打台球,当两个球相互撞击并朝不同方向反弹时。在这种情况下,光子和元表面就像那两个台球,“查尔姆斯大学物理系教授 Mikael Käll 解释道。技术,文章的共同作者和研究项目的负责人。

搬运其他小物件

“元车辆是稳定的,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的更复杂的控制,更复杂的导航将成为可能,”丹尼尔安德伦解释说,前任查尔姆斯物理系和该研究的主要作者。

研究人员还尝试使用超载运载工具作为运输工具,在坦克周围推动小颗粒。元载体被证明能够轻松地在水中运输物体,包括微小的聚苯乙烯珠和酵母颗粒。他们甚至成功地将灰尘颗粒推到了超车辆本身大小的 15 倍。

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其价值可能尚不明显。

“在光学力的探索中,有许多有趣的效应尚未完全理解。推动此类研究的不是应用,而是探索不同的可能性。在未来的许多不同阶段,你永远不知道什么将会发生。但我们展示了如何将元载体用作转运蛋白这一事实是最初最有希望的潜在应用,例如通过细胞溶液移动粒子,”Mikael Käll 解释道。

该研究发表在《自然纳米技术》杂志上的文章“由嵌入式光学超表面驱动和控制的微型超车辆”中。

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