Физики научились вращать микроскопические шестеренки с помощью света прямо на чипе
Инновационную систему по созданию самых маленьких в истории двигателей на кристалле, показали исследователи из Гётеборгского университета (Швеция). Работа опубликована факультетом естественных наук и технологий в журнале Nature.
Миниатюрные шестеренки, работающие от лазера
Обычные зубчатые передачи окружают нас повсюду: в часах, автомобилях, даже в ветряках. Ученые же десятилетиями ломали голову, как сделать такие механизмы меньше и при этом заставить их работать. Долгое время пределом считался размер около десятой доли миллиметра: еще мельче сделать не удавалось, потому что привычные механические приводы попросту не подходили.
Команда из Гётеборга решила мыслить иначе — они отказались от привычных механизмов в пользу света. Вместо моторов и электродвигателей используется лазерный луч, который буквально крутит миниатюрные шестеренки. В дело пошли так называемые оптические метаматериалы — это крошечные структуры с особыми узорами, которые умеют улавливать и перенаправлять свет.
Как это работает
Шестеренку диаметром всего несколько десятков микрометров (около 0,016 мм) напечатали прямо на кремниевом чипе с помощью литографии. Это метод печати, когда сначала поверхность кремния покрывают специальным слоем, который реагирует на свет. Затем через маску (трафарет с нужным узором) пропускают ультрафиолетовое излучение. Когда на нее падает лазер, рисунок метаматериала заставляет колесо вращаться. Интенсивность луча регулирует скорость, а направление вращения можно изменить, изменив поляризацию света. По сути, это настоящий микродвигатель, только вместо топлива у него фотонный поток.
«Мы построили систему, где одна шестерня, приводимая в движение светом, заставляет работать всю цепочку. Такие передачи способны не только вращаться, но и превращать вращение в поступательные движения или управлять микрозеркалами, которые перенаправляют световые лучи», — объясняет первый автор исследования Гань Ван, специалист по физике мягкой материи.
Почему это важно
Самое удивительное — масштаб. Диаметр таких шестеренок может составлять всего 16–20 микрометров, то есть соизмерим с размером живой клетки. Это открывает дорогу к созданию микро- и наномашин, которые можно встроить прямо в чипы или использовать внутри организма.
«Мы можем использовать эти микродвигатели как крошечные насосы внутри тела для регулирования потоков жидкостей. Мы также изучаем, как они могут работать в роли клапанов, открывающихся и закрывающихся по команде».
Лазер не требует прямого контакта, легко управляется и позволяет собирать сложные микросистемы, которые раньше казались нереальными.
Как отмечает Ван: «Это принципиально новый подход к механике на микроуровне. Заменив тяжелые приводы на легкие лучи, мы наконец можем преодолеть барьер размеров».
