UN, Motore di locomozione di una piastra rettangolare su una superficie di attrito attraverso eccitazioni di onde elastiche mediante assorbimento ottico pulsato. Tabella:relazioni tra gli stati di moto della placca, (istantanea) effettiva potenza luminosa assorbita, forza di attrito e onde elastiche. B, Struttura a bande dei modi di guida d'onda elastica in una lamina d'oro (larghezza, w =4 micron; altezza, h =60nm). Riquadri:profili modali dei modi elastici fondamentali a frequenza statica (le frecce specificano le direzioni delle oscillazioni elastiche). C, Spostamento scorrevole della superficie di contatto della lamina d'oro (come in B; pannello inferiore) nella direzione z guidato da un impulso ottico di nanosecondi (pannello superiore) con resistenza allo scorrimento per attrito Fslide =2,7 μN. D, Spostamento di scorrimento stabilizzato in funzione della resistenza allo scorrimento, diapositiva. E, Schema del moto a spirale osservato sperimentalmente. F, Sequenziamento temporale di immagini ottiche di una lastra d'oro esagonale che si muove a spirale attorno a una microfibra. La fibra ha un diametro di 2 μm e la lunghezza del lato e lo spessore della lamina sono 27,72 μm e 30 nm, rispettivamente. G, Coseno dell'angolo di rotazione Φrot (pannelli superiori), spostamento di traslazione (pannelli inferiori) in funzione del tempo per placche d'oro con esagono, circolare, e forme a base rettangolare. Tutte le barre della scala rappresentano 15 μm. Gli impulsi laser super-continuo utilizzati hanno una potenza media di 6,8 mW, Larghezza temporale di 3 ns e frequenza di ripetizione di 6,13 kHz. Credito:Weiwei Tang, Wei Lv, Jinsheng Lu, Fengjiang Liu, Jiyong Wang, Wei Yan, e Min Qiu
Realizzare la manipolazione ottica di micro-oggetti in ambienti non liquidi è impegnativo a causa della forte forza di attrito (~µN) che rende insignificante la forza ottica (~pN). Verso questo obiettivo, gli scienziati della Westlake University in Cina hanno dimostrato movimenti a spirale di oggetti microscopici su superfici asciutte guidati da impulsi laser di nanosecondi. Hanno rivelato il meccanismo sottostante relativo alle interazioni tra le onde termoelastiche e la forza di attrito. I risultati aprono la strada allo sviluppo futuro di attuatori microscopici in ambienti non liquidi.
La chiave dell'attuazione risiede nello sfruttamento delle onde termoelastiche indotte dall'assorbimento ottico pulsato in micro-oggetti assorbenti per superare la forza di attrito.
In questo documento, pubblicato in Luce:scienza e applicazioni , viene formulata una teoria che tiene conto delle interazioni microscopiche tra la forza di attrito e le onde elastiche eccitate termicamente, che presenta un'equazione predittiva per la potenza ottica di soglia richiesta per superare la resistenza di attrito. I ricercatori hanno scoperto che l'assorbimento ottico a impulsi di nanosecondi con potenza di picco su scala mW è sufficiente per domare la forza di attrito su scala µN e consentire l'attuazione. Con nuovi approfondimenti teorici, hanno dimostrato sperimentalmente il movimento a spirale bidimensionale di lastre d'oro su microfibre come guidato da impulsi laser di nanosecondi. Inoltre, si è scoperto che la direzione del movimento è controllabile regolando meccanicamente le posizioni relative e le configurazioni di contatto tra piastre e microfibre, e la velocità di movimento potrebbe essere sintonizzata modificando i tassi di ripetizione degli impulsi e la potenza degli impulsi.
Per quanto riguarda le potenziali applicazioni, gli autori hanno spiegato che "lo schema di attuazione proposto può in linea di principio trovare applicazioni pratiche in vari campi che richiedono di manipolare con precisione micro-oggetti in ambienti non liquidi. Ad esempio, integrando la nostra tecnica con una rete accoppiata a guida d'onda su chip, si può in linea di principio ottenere la modulazione ottica regolando le posizioni di una lamina d'oro sopra la guida d'onda per controllare la trasmissione della guida d'onda tramite l'accoppiamento di sintonia tra guide d'onda vicine. Inoltre, può essere utilizzato anche per trasportare particelle dielettriche attaccate alla superficie di una lastra d'oro lungo una microfibra/nanofilo, che è essenziale nelle tecnologie lab-on-a-chip, per esempio., per le applicazioni delle scienze della vita".
