5 Minutės
Mikrometro masto pavarų ratai, varomi lazerine šviesa
Geteborgo universitetas praneša apie proveržį mikro-mechanikoje: tyrėjai pagamino lazeriu valdomus pavarų ratus, pakankamai mažus, kad tilptų žmogaus plauko viduje. Pakeitę įprastus mechaninius sujungimus optiniu aktyvavimu, komanda sukūrė silicio dioksido (silica) pavaras ant mikroschemų, kurių skersmuo siekia tik keliasdešimt mikrometrų, ir demonstravo kontrolę pasukimui, krypties keitimui bei mechaniniam darbui šiuo mastu.
Trečias iš dešinės pavaros ratas turi optinį metamaterialą, kuris reaguoja į lazerinę šviesą ir sukelia rato judėjimą. Visos pavaros pagamintos iš silicio dioksido tiesiog ant lustelio. Kiekvienos pavaros skersmuo yra apie 0,016 mm. Autorius: Gan Wang
Šios mikro pavaros gaminamos naudojant standartinę litografiją ir įtraukia raštuotus optinius metamaterialus — nanomastelio struktūras, kurios sugeria ir manipuliuoja krintančia lazerine šviesa. Apšvietus metamaterialą, šviesa virsta lokalizuotomis jėgomis ir momentais, sukeliančiais rato sukimąsi. Keičiant lazerio intensyvumą reguliuojamas sukimosi greitis; keičiant poliarizaciją keičiasi sukimosi kryptis. Šis bekontaktis metodas pašalina poreikį tradiciniams mechaniniams perdavimo mazgams, ilgą laiką ribojusiems motorų sumažinimą po 0,1 mm dydžio.
Kaip veikia šviesa aktyvuojami mikromotorai
Optiniai metamaterialai yra suprojektuoti po bangos ilgio esančių elementų masyvai, kurie keičia šviesos judesio kiekį ir lauko pasiskirstymą. Geteborgo įrenginiuose šie raštai integruoti į silicio dioksido pavarą, pagamintą tiesiog ant silicio lustelio. Susitelkęs lazerio spindulys pataikęs į metamaterialo plotą sukelia asimetrinį sklaidymą ir artimo lauko jėgas, kurios generuoja rato sukimo momentą. Koreguodami metamaterialo geometriją ir lazerio parametrus (intensyvumą, poliarizaciją, spindulio poziciją), tyrėjai gali tiksliai reguliuoti sukimosi greitį, kryptį ir sujungimą su kaimyniniais mechaniniais elementais.
Kadangi aktyvacija vyksta optiškai, o ne mechaniniu būdu, jėgos signalas perduodamas be fizinio kontakto. Tai paprastina konstrukciją ir leidžia tankų montavimą ant lustų: vienas šviesa varomas ratas gali paleisti judėjimą greta esančiuose ratuose ar sujungtuose komponentuose. Komanda taip pat parodė, kaip sukimąsi paversti tiesiniu judesiu ir periodiniais mikromechaniniais potvarkiais, ir demonstravo, kad pavaros gali nukreipti mikroskopinius veidrodėlius šviesos lokalizavimui — tai ypač naudinga integruotai fotonikai ir jutikliams.
Mokslinis kontekstas ir pasekmės mikroįrenginiams
Mikro- ir nanomašinos jau kelis dešimtmečius yra aktyvi tyrimų sritis, pritaikoma nuo mikrofluidikos siurblių iki lab-on-a-chip sistemų ir taikinių biomedicinos įrenginių. Naujas požiūris sprendžia esminę dydžio mastelio ribą: tradiciniai pavarų perdavimo mechanizmai reikalauja vietos ašims, guoliams ir sankaboms, kurios tampa nepraktiškos tam tikruose mažumo laipsniuose. Optinė aktyvacija pakeičia masyvias jungtis šviesos spinduliais, leidžiančiais varikliams turėti geometrinius parametrus, palyginamus su pavienėmis žmogaus ląstelėmis (apie 16–20 µm), ir atveria dizaino erdvę sudėtingesnėms mikrosistemoms.
Galimos taikymo sritys apima optinius jungiklius ir moduliatorius fotonikos lustuose, dalelių valdymą mikrofluidikoje bei implantuojamus arba injekuojamus mikroįrenginius medicinoje. Tyrėjai ypač išskiria medicininius vaidmenis, pavyzdžiui, mikroskopinius siurblius ar vožtuvus, reguliuojančius skysčių srautus audiniuose, arba diagnostines lab-on-a-chip platformas, kurioms reikia integruotos mechaninės kontrolės.
Eksperimento detalės ir gamyba
Įrenginiai pagaminti naudojant įsitvirtinusias litografines technologijas formuojant silicio dioksido ir silicio sluoksnius ant lustelio. Metamaterialo ploteliai apibrėžti nanomastelyje, kad aiškiai susidarytų pageidaujama optinė reakcija apšvietus matomu arba artimu infraraudonuoju lazeriu. Eksperimentuose komanda reguliavo lazerio galią ir poliarizaciją, kad demonstruotų kontroliuojamą paleidimą/stabdymą, greičio moduliavimą ir pavaros sukimosi krypties keitimą. Lusteliai stebėti mikroskopu, kad būtų patikrintas mechaninis sujungimas tarp pavarų ir pamatuoti atsako laikai bei sukimo momento įvertinimai.
Darbas remiasi tarpdisciplininėmis technikomis iš minkštosios materijos fizikos, nanofabrikacijos ir fotonikos sferos, o tai leidžia integraciją mastu, suderinamu su esamais puslaidininkių procesais.
Eksperto įžvalga
Dr. Elena Márquez, mikrofluidikos inžinerė biomedicinos tyrimų institute (tyrime nedalyvavo), teigia: "Mechaninių jungčių pakeitimas optine kontrole yra išradingas būdas įveikti mažų pavarų fizines ribas. Medicininiuose mikroįrenginiuose nuotolinis siurblių ar vožtuvų valdymas šviesa gali supaprastinti implantaciją ir kontrolę. Svarbūs tolesni žingsniai bus biokompatibilumo vertinimas, galios tiekimas audiniuose ir ilgalaikis patikimumas."
Pagrindiniai atradimai ir tolimesnės perspektyvos
Pagrindinis pasiekimas — parodytas patikimas, grįžtamasis ir valdomas mikrometrinių pavarų sukimas, kuriam energiją tieka vien tik šviesa, ir šių pavarų integracija ant lustelio su potencialu mechaniniam sujungimui su šalia esančiais elementais. Tolimesni tyrimai apims metamaterialų projektavimo optimizavimą didesniam sukimo momentui, funkcionalumo išplėtimą iki nanodalelių, optinio aktyvavimo derinimą su elektriniais ar cheminiais jutikliais ir veikimo patikrinimą biologiniu požiūriu aktualiomis sąlygomis.
Nors išlieka iššūkių — lazerio galios tiekimas in vivo, patikumo užtikrinimas skystinėse ar biologinėse terpėse ir jutiklių bei suvedimo elektronikų integracija — metodas suteikia kelią tikrai mikroskopinėms mašinoms, galinčioms veikti pavienių ląstelių skalėje.
Išvados
Šviesa varomi mikromotorai, sudaryti iš silicio dioksido pavarų su integruotais optiniais metamaterialais, yra reikšmingas žingsnis link funkcionalios mikromastelio mechanikos. Išnaudodami lazerinę šviesą be kontaktinio aktyvavimo, tyrėjai įveikė svarbią dydžio ribą pavaromis valdomoms sistemoms ir atvėrė naujas galimybes lab-on-a-chip technologijoms, integruotai fotonikai ir potencialiems biomedicininiams įrenginiams, tokiems kaip mikro siurbliai ir vožtuvai. Tolimesnis metamaterialų geometrijų tobulinimas, galios tiekimo strategijų kūrimas ir biokompatiblaus pakuotės sprendimai nulems, kada šie mikromotorai pereis nuo laboratorinių demonstracijų prie praktinių pritaikymų.
Šaltinis: sciencedaily
Komentarai