Инженеры из американской Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли совершили прорыв в области наномеханизмов, создав микроскопическую световую мельницу, приводимую в движение лучом лазера. Мотор, созданный группой ученых под руководством исследователя Сян Чжана (Xiang Zhang), может вращаться в двух направлениях, причем направление вращения задает частота лазерного излучения.
«Мы продемонстрировали плазмонный двигатель размером всего 100 нм, который под облучением линейно поляризованным светом может передавать крутящий момент, достаточный для вращения диска, в 4 тыс. раз большего по размерам», — пояснил доктор Чжан. Ученым уже удалось создать целый массив подобных мельниц, которые в будущем смогут эффективно утилизировать энергию светового излучения. В основу изобретения положен тот факт, что силу взаимодействия света с веществом можно значительно увеличить, если падающее излучение входит в резонанс с так называемыми поверхностными плазмонами — волнами электронной плотности, возникающими на поверхности твердых тел в результате коллективных колебаний электронов.
Нанотурбина
Группа Чжана сконструировала нанотурбинку, напоминающую по форме древний солнечный символ, из золота, так, чтобы максимально увеличить взаимодействие света с веществом. «Плоские свастикообразные золотые структуры могут рассматриваться как совокупность четырех LC-контуров, резонансные частоты которых определяются геометрией и диэлектрическими свойствами металла», — пояснил Чжан. Получаемый крыльчаткой угловой момент возникает благодаря симметрии фигуры и ее взаимодействию с падающим светом.
Ученые считают, что их открытие поможет решить множество прикладных и теоретических задач. Известно, что отдельно взятый фотон (квант электромагнитного излучения) несет в себе как импульс, так и угловой момент. Такие научные приборы, как оптические пинцеты и оптические ловушки, к примеру, основаны на способности фотонов отдавать свой импульс. В 1936 году физик Принстонского университета Ричард Бет доказал, что фотон, рассеиваясь или поглощаясь твердым веществом, способен поделиться своим угловым моментом, то есть закрутить предмет, на который он упал. Все последующие попытки утилизировать момент отдельных фотонов излучения не увенчались успехом ввиду чрезвычайно слабого взаимодействия между фотонами и веществом.
Вместо ветряка — «светляк»
«Типичный мотор должен быть размером как минимум в микрометры или миллиметры, чтобы производить нужное количество крутящего момента. Мы показали, что в наноструктурах, подобных нашей золотой мельнице, передаваемый угловой момент значительно усиливается при совпадении длин волн падающего света с плазмонными волнами. Производительность наших моторов очень велика. В качестве бонуса мы получили возможность управлять направлением вращения, что сложно реализовать, скажем, в ветряках», — пояснил соавтор исследования Мин Лю.
Реализовать вращение ротора в разные стороны удалось на двух длинах лазера — 810 и 1700 нм. Освещенная гауссовым пучком лазера с меньшей длиной волны фигурка вращается против часовой стрелки с частотой 3 оборота в секунду. Переключив лазер на большую длину волны, ученые заставляют ротор вращаться с той же скоростью, но в другую сторону. Дело в том, что при длине волны 810 нм свет воздействует на внешние стороны лопастей (на рисунке — слева), вращая их против часовой стрелки, а при 1700 нм — на внутренние (на рисунке — справа), вращая их в обратную сторону. Наноскопические размеры крыльчатки обещают найти ей множество применений, в первую очередь для наноэлектромеханических устройств (NEMS), в которых размеры важнее КПД.
Компактные вращающиеся роторы должны найти применение в решении многих микробиологических задач, в том числе для раскрутки и закрутки двойных спиралей ДНК. «А спроектировав моторы для работы на разных резонансных частотах и в одном направлении, мы можем получать крутящий момент из множества длин волн, представленных в солнечном свете», — добавил Лю. Статья ученых опубликована в журнале Nature Nanotechnology.
