(Phys.org)—Gli scienziati hanno dimostrato che i microingranaggi a forma di girandola che galleggiano su una superficie liquida possono ruotare a velocità fino a 300 giri/min. quando illuminato da un normale LED. Questo movimento guidato dalla luce, che nasce perché la luce crea una piccola differenza di temperatura e, successivamente, una differenza di tensione superficiale nel fluido circostante, è circa cinque ordini di grandezza più efficiente di altri meccanismi che convertono la luce in lavoro. Poiché l'effetto non dipende dalle dimensioni, gli scienziati si aspettano che il sistema possa essere scalato sia su macroscala che su nanoscala.

I ricercatori, Claudio Maggi e coautori dell'Università di Roma, l'Istituto Italiano di Tecnologia di Genova, e l'Istituto di Nanotecnologie NANOTEC-CNR di Roma, hanno pubblicato un articolo sulla nuova dimostrazione della conversione da luce a lavoro in un recente numero di Comunicazioni sulla natura .

Nel loro studio, gli scienziati hanno fabbricato i microingranaggi usando la litografia laser, rivestirli con uno strato di carbonio amorfo per aumentare l'assorbimento della luce, e immergerli in un liquido. Hanno quindi depositato una piccola goccia del liquido contenente l'ingranaggio su un vetrino da microscopio e l'hanno illuminato con un LED. Mentre i precedenti motori azionati dalla luce generalmente richiedono raggi laser ad alta potenza per indurre il movimento, qui il LED ad ampio campo potrebbe indurre il movimento con pochi microwatt di potenza per ingranaggio, corrispondente a 100, Efficienza di conversione luce-lavoro 000 volte superiore.

Il motivo dell'aumento dell'efficienza è che il nuovo sistema funziona con un meccanismo di conversione luce-lavoro completamente diverso. In precedenza, sistemi simili si sono basati sulla pressione della radiazione esercitata da raggi laser altamente focalizzati, o su termoforesi, che è la lenta migrazione di particelle solide indotta dai gradienti termici nel fluido circostante. Per ottenere la termoforesi, metà della particella è ricoperta da un rivestimento che assorbe il calore, in modo che quando esposto a una forte illuminazione, la particella sarà spinta lungo un gradiente di temperatura.

Nel nuovo sistema, i motori sono interamente ricoperti da un rivestimento termoassorbente, in modo che siano per lo più riscaldati in modo uniforme. Però, i vertici interni della forma della girandola di ciascun motore diventano più caldi di quelli esterni, che genera un gradiente di temperatura asimmetrico nel fluido circostante. Poiché la tensione superficiale di solito diminuisce con la temperatura, questo gradiente di temperatura, anche se piccolo come pochi millikelvin, provoca un gradiente di tensione superficiale, il che significa che le forze capillari nel fluido tirano i microingranaggi in modo non uniforme. Il tiro irregolare si traduce in una coppia netta, facendo ruotare rapidamente i microingranaggi.

Come spiegano i ricercatori, questo effetto è molto simile all'effetto Marangoni, che comporta anche un gradiente di tensione superficiale. Nell'effetto Marangoni, liquidi e piccoli oggetti posti sulla superficie di un fluido con un gradiente di tensione superficiale si sposteranno dalla regione con la bassa tensione superficiale verso la regione con la maggiore tensione superficiale. Sebbene studi precedenti abbiano utilizzato laser altamente focalizzati per dimostrare la propulsione Marangoni, questo studio segna la prima volta che è stato ottenuto con un'illuminazione incoerente ad ampio campo, come un normale LED.

Nel futuro, questo efficiente movimento guidato dalla luce potrebbe essere utilizzato in una varietà di applicazioni su diverse scale, dai veicoli solari in miniatura alle nanomacchine.

"I veicoli solari consentono il trasporto a terra, acqua e nell'aria utilizzando la luce solare come fonte primaria di energia, "Maggi ha detto Phys.org . "La conversione della luce in movimento richiede generalmente alcune fasi di trasformazione tra diverse forme di energia. Tipicamente si tratta di veicoli elettrici alimentati da celle fotovoltaiche che convertono in una prima fase la luce solare in energia elettrica. Questa strategia indiretta, però, comporta un alto grado di complessità che pone grandi limiti alla miniaturizzazione dei motori solari su scala micrometrica."

"D'altra parte, la generazione di propulsione su piccola scala è di cruciale importanza per il funzionamento di micro e nanomacchine all'interno del cosiddetto lab-on-a chip, " ha affermato Roberto Di Leonardo al Consiglio Nazionale delle Ricerche, e il coordinatore della squadra. "La ricerca futura in questa direzione potrebbe portare allo sviluppo di micromacchine in grado di trasportare piccoli carichi, come singole cellule, all'interno di dispositivi miniaturizzati alimentati dalla semplice esposizione alla luce solare."

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