I ricercatori hanno sviluppato una nuova minuscola macchina che converte la luce laser in lavoro. Queste macchine ad alimentazione ottica si autoassemblano e potrebbero essere utilizzate per la manipolazione su scala nanometrica di piccoli carichi per applicazioni come la nanofluidica e lo smistamento delle particelle.

"Il nostro lavoro si rivolge a un obiettivo di lunga data nella comunità delle nanoscienze per creare macchine autoassemblanti su scala nanometrica in grado di eseguire lavori in ambienti convenzionali come liquidi a temperatura ambiente, ", ha affermato il leader del gruppo di ricerca Norbert F. Scherer dell'Università di Chicago.

Scherer e colleghi descrivono le nuove nanomacchine in ottica . Le macchine si basano su un tipo di materia nota come materia ottica in cui le nanoparticelle metalliche sono tenute insieme dalla luce anziché dai legami chimici che tengono insieme gli atomi che compongono la materia tipica.

"Sia l'energia per assemblare la macchina che la potenza per farla funzionare provengono dalla luce, " ha detto Scherer. "Una volta che la luce laser viene introdotta in una soluzione contenente nanoparticelle, l'intero processo avviene da solo. Sebbene l'utente non debba controllare o dirigere attivamente il risultato, questo potrebbe essere fatto facilmente per adattare le macchine a varie applicazioni."

Creare materia ottica

In materia ottica, un campo di luce laser crea interazioni tra nanoparticelle metalliche che sono molto più piccole della lunghezza d'onda della luce. Queste interazioni fanno sì che le particelle si autoassemblano in matrici ordinate. Questo è un principio simile all'intrappolamento ottico, in cui la luce viene utilizzata per trattenere e manipolare le particelle, molecole e cellule biologiche.

Nei lavori precedenti, i ricercatori hanno scoperto che quando la materia ottica è esposta a luce polarizzata circolarmente, ruota come un corpo rigido nella direzione opposta alla rotazione di polarizzazione. In altre parole, quando la luce incidente ruota in un modo, l'array di materia ottica risponde ruotando nell'altro. Questa è una manifestazione di "coppia negativa". I ricercatori hanno ipotizzato che una macchina potesse essere sviluppata sulla base di questo nuovo fenomeno.

Nel nuovo lavoro, i ricercatori hanno creato una macchina per la materia ottica che funziona in modo molto simile a una macchina meccanica basata su ingranaggi ad incastro. In tali macchine, quando si gira una marcia, un ingranaggio a incastro più piccolo girerà nella direzione opposta. La macchina della materia ottica utilizza la luce polarizzata circolarmente da un laser per creare un array di nanoparticelle che agisce come l'ingranaggio più grande ruotando nel campo ottico. Questo "ingranaggio di materia ottica" converte la luce polarizzata circolarmente in orbitale, o angolare, quantità di moto che influenza una particella sonda vicina a orbitare attorno all'array di nanoparticelle (l'ingranaggio) nella direzione opposta.

Determinazione dell'efficienza

I ricercatori hanno realizzato due macchine basate su questo progetto utilizzando luce laser con una lunghezza d'onda di 600 nanometri e nanoparticelle a scaglie di appena 150 nanometri di diametro in acqua. Hanno scoperto che l'utilizzo di un ingranaggio composto da otto nanoparticelle ha creato una macchina più efficiente di un ingranaggio a sette nanoparticelle, suggerendo che l'efficienza della macchina potrebbe essere alterata costruendo ingranaggi diversi.

"Crediamo che ciò che abbiamo dimostrato, con ulteriore affinamento, sarà utile nella nanofluidica e nello smistamento delle particelle, "ha detto John Parker, studente laureato e primo autore. "Le nostre simulazioni mostrano che una macchina molto più grande composta da molte più particelle dovrebbe essere in grado di esercitare più potenza sulla sonda, quindi questo è un aspetto della raffinatezza che prevediamo di perseguire".

I ricercatori stanno ora sperimentando la realizzazione di macchine con molte più particelle o con particelle di materiali diversi. La praticità della macchina potrebbe anche essere migliorata creando ingranaggi modellati in cui le nanoparticelle sono immobili. Ciò consentirebbe la capacità di indirizzare otticamente e combinare diversi ingranaggi per creare una macchina più complessa.