Illustrazione schematica di una configurazione sperimentale con una lamina d'oro esagonale su una microfibra e una luce pulsata supercontinuo erogata nella microfibra, con potenza luminosa misurata in uscita (durata impulso 2,6 ns, frequenza di ripetizione 5 kHz, lunghezza d'onda da 450 a 2400 nm). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aau8271
Il movimento guidato dalla luce è impegnativo in ambienti non liquidi poiché oggetti di piccole dimensioni possono sperimentare una forte adesione a secco alle superfici di contatto e resistere al movimento. In un recente studio, Jinsheng Lu e collaboratori del College of Optical Science and Engineering, Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica, School of Engineering e Institute of Advanced Technology in Cina e Singapore, sviluppò un sistema a vuoto e ottenne una locomozione rotativa in cui un micrometro, piastra metallica esagonale di circa 30 nm di spessore ruotata attorno a una microfibra. Alimentavano il motore (piastra-fibra) utilizzando una luce pulsata, che è stato guidato sulla fibra da un'onda di Lamb otticamente eccitata. La procedura ha permesso di realizzare un motore con geometria a fibra lamina favorevole per applicazioni optomeccaniche nella pratica; i risultati dello studio sono ora pubblicati su Progressi scientifici .
La luce può indurre la rotazione meccanica a distanza, istantaneo e preciso. La rotazione su micro/nanoscala indotta dalla luce può generare ampie applicazioni nell'attuazione meccanica, manipolare le biomolecole e consegnare il carico. In ambienti liquidi, gli scienziati hanno dimostrato la rotazione guidata dalla luce trasferendo il momento lineare e angolare a oggetti di dimensioni micro. In ambienti non liquidi, le forze di adesione dominanti impediscono il movimento di oggetti di dimensioni micro. Poiché l'adesione può seriamente ostacolare il funzionamento dei motori rotativi azionati dal trasferimento di quantità di moto, il liquido viene in genere utilizzato per ridurre al minimo gli impatti indesiderati.
Nel presente lavoro, Lu et al. deviato da questa visione di lunga data per riferire su un motore azionato dalla luce, dove le forze di adesione nell'aria consentivano controintuitivamente la rotazione. Il processo è stato assistito dall'onda di Lamb (un'espansione termoelastica generata dal riscaldamento plasmonico della luce pulsata assorbita) e dalla configurazione geometrica della fibra-piastra.
Nel lavoro, Lu et al. ha dimostrato un microspecchio azionato dalla luce con una risoluzione di scansione di 0,001 gradi. Hanno controllato la velocità di rotazione e la risoluzione di arresto del motore (placca dorata su microfibra) variando la frequenza di ripetizione e l'onda di impulso nella configurazione. Gli scienziati hanno mostrato il motore che striscia per gradi, con risoluzione di locomozione sub nanometrica nell'esperimento. Il lavoro offre un potenziale applicativo senza precedenti per l'integrazione in sistemi micro-opto-elettromeccanici, meccanica e controlli di precisione completamente ottici per lo spazio esterno, e come scansione laser per sistemi lidar in miniatura (sistemi di navigazione/mappatura basati sulla luce).
Rotazione azionata dalla luce di un motore in aria. Un motore azionato da una luce supercontinua pulsata con diverse velocità di ripetizione in aria (film accelerato di 10 volte). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aau8271
Per costruire le microfibre, Lu et al. ha utilizzato una tecnica di disegno riscaldata a fiamma e ha sintetizzato la lastra d'oro contenente un singolo cristallo con una superficie liscia atomica, a forma di esagoni o triangoli come precedentemente riportato. Hanno quindi sospeso sperimentalmente la microfibra ottica uniformemente disegnata in aria, o aspirare e posizionare la lamina d'oro su di esso utilizzando una sonda. Hanno utilizzato l'imaging al microscopio elettronico a scansione (SEM) per visualizzare il sistema piastra-microfibra. Durante i movimenti istantanei di accensione/spegnimento di un laser ad onda continua (CW), gli scienziati hanno osservato un movimento azimutale leggermente debole della lamina d'oro. Il movimento era dovuto all'espansione/contrazione della lamina d'oro, l'effetto accidentale ha innescato l'emissione pulsata di una luce supercontinua nella microfibra.
Utilizzando questo processo, gli scienziati hanno mostrato come la lastra d'oro ruotava attorno alla microfibra mentre gli impulsi luminosi venivano guidati nella configurazione in cui le forze di Van der Waals erano responsabili della stretta aderenza della lastra alla microfibra. per inciso, poiché la separazione tra la lamina d'oro e la microfibra era così piccola, le forze di Van der Waals divennero dominanti. Quando gli scienziati hanno condotto lo stesso esperimento in liquido, le forze di adesione si sono ridotte, in questo caso la lamina d'oro si è allontanata dalla microfibra e ha smesso di ruotare, mostrando la necessità di forze di adesione per il movimento in questa configurazione.
SINISTRA:Rotazione azionata dalla luce di un motore in aria e vuoto. (A) Schema della configurazione sperimentale che mostra che una luce supercontinuo pulsata (durata dell'impulso, 2,6 ns; frequenza di ripetizione, 5kHz; lunghezza d'onda, 450-2400 nm) viene erogato in una microfibra e la potenza luminosa viene misurata da un misuratore di potenza all'estremità di uscita. La microfibra è sospesa nell'aria o nel vuoto, e la lamina d'oro viene posta su di essa e quindi ruota attorno ad essa per l'azionamento della luce pulsata. (B) Micrografia elettronica a scansione a falsi colori di una lastra d'oro (lunghezza laterale, 11 micron; spessore, 30 nm) al di sotto di una microfibra con raggio di 880 nm. Si noti che il sistema piastra-microfibra viene posizionato su un substrato di silicio dopo esperimenti di rotazione. (C) Sequenziamento delle immagini di microscopia ottica della piastra d'oro rotante in senso antiorario attorno alla microfibra in aria (campione A, 5kHz). La potenza luminosa media misurata è di 0,6 mW. (D) Sequenziamento di immagini SEM di una lamina d'oro rotante in senso orario (lunghezza del lato lungo, 10,5 micron; lunghezza del lato corto, 3,7 micron; spessore, 30 nm) intorno a una microfibra (raggio, 2 μm) nel vuoto. La potenza luminosa media misurata è di 1,5 mW. Le frecce in (C) e (D) rappresentano la direzione di propagazione della luce. I cerchi grigi e le linee gialle sotto (C) e (D) indicano la microfibra e la piastra, rispettivamente. Le frecce curve rosse indicano la direzione di rotazione della piastra. DESTRA:Relazione tra velocità di rotazione e frequenza di ripetizione. (A) Larghezza effettiva (Weff) della lastra ottenuta da ogni fotogramma di video sperimentali (campione A, 1kHz). (B) Trasformazione di Fourier della larghezza effettiva per ottenere la sua frequenza di variazione (cioè, velocità di rotazione del piatto). (C) La velocità di rotazione del motore azionata dalla luce aumenta linearmente con la frequenza di ripetizione degli impulsi luminosi, e campioni diversi danno risultati simili. La potenza per ogni impulso luminoso rimane la stessa quando viene modificata la frequenza di ripetizione. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aau8271
Il motore funzionava anche nel vuoto, dove la pressione del gas era di circa nove ordini di grandezza inferiore a quella dell'aria. La velocità di rotazione era linearmente proporzionale alla velocità di ripetizione degli impulsi luminosi e aumentava linearmente, per mostrare che un singolo impulso luminoso potrebbe azionare il motore per ruotare con un angolo estremamente sottile. Lu et al. ha utilizzato un generatore di forme d'onda per produrre un segnale in grado di attivare la sorgente luminosa per emettere un numero specifico di impulsi e ha calcolato l'angolo tra la microfibra e la lastra utilizzando il metodo di proiezione. Ogni impulso luminoso azionava il motore per ruotare ad un angolo costante. Gli scienziati hanno confermato questo risultato con ulteriori esperimenti.
Gli scienziati hanno escluso le forze ottiche come forza motrice durante la rotazione, poiché l'uso di sorgenti laser CW di diverse lunghezze d'onda non ha provocato alcuna rotazione; solo una sorgente di luce pulsata con una singola lunghezza d'onda (1064 nm) potrebbe far ruotare il motore. Indicando che gli impulsi hanno svolto un ruolo essenziale per generare movimento. Precedenti studi avevano analogamente dimostrato che la luce pulsata potrebbe eccitare fononi coerenti per indurre l'espansione e la contrazione del reticolo, per propagare onde acustiche indotte dalla luce per molte applicazioni pratiche in optofluidica e bioimmagini.
SINISTRA:Un motore rotativo passo-passo. (A) Schema che mostra che un numero specifico (n) di impulsi luminosi viene emesso con una frequenza di ripetizione di 1 kHz quando la sorgente luminosa rileva un fronte positivo su ogni ingresso di trigger. Il segnale di trigger elettrico a 1 Hz è generato da un generatore di forme d'onda. (B) Angolo di passo del motore che aumenta linearmente con il numero di impulsi luminosi (n) per uno degli ingressi trigger. Il motore ruota di circa 0,1° per ogni singolo impulso luminoso. (C) Rotazione graduale del motore quando i numeri di impulsi luminosi (n) sono 500 e 200. DESTRA:Un esempio di applicazione, dimostrazione di un microspecchio per la scansione laser. (A) Rappresentazione schematica di una piastra rotante utilizzata come microspecchio per deviare il raggio di luce. Il raggio riflesso ruota di 2θ quando la piastra ruota di θ. La distanza tra la lastra e lo schermo bianco in campo lontano è L (6,4 cm). La relazione tra la posizione del punto laser sullo schermo bianco (y) e l'angolo di rotazione della luce riflessa (2θ) è y =L × tan(2θ). (B) Sequenziamento di immagini ottiche dello spot laser (il cui centro è contrassegnato da cerchi rossi) sullo schermo nel campo lontano. (C) Posizione misurata sperimentalmente e teoricamente prevista del punto laser sullo schermo bianco. La velocità di rotazione del piatto, azionato da impulsi luminosi con una frequenza di ripetizione di 5 kHz nell'esperimento, è 0,95 giri/min (0,1 rad/s). La relazione preconcetta tra y e t è y =L × tan(2ωt + θ0) =6.4tan(0.2t + θ0). θ0 è l'angolo iniziale. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aau8271
I risultati attuali sono stati specificamente osservati poiché Lu et al. ha generato un'onda Lamb indotta dalla luce pulsata sulla sottile lamina d'oro posta sulla superficie della microfibra, per spostare la piastra sulla superficie in microfibra. Hanno illuminato il fenomeno spiegando che prima, quando un laser pulsato viene focalizzato su una linea sulla superficie di una pellicola che assorbe la luce, possono essere generate onde acustiche di superficie note come onde di Rayleigh. La luce pulsata viene poi assorbita dal film per riscaldare localmente la superficie, provocando l'espansione termoelastica per generare onde acustiche superficiali che possono pulire le particelle adesive sulla superficie. L'onda di Rayleigh e l'onda di Lamb hanno modelli di movimento simili, perciò, ad esempio, quando lo spessore di un film/lastra è inferiore alla lunghezza d'onda di un'onda di Rayleigh, l'onda di Rayleigh passerà gradualmente a un'onda di Lamb.
Le applicazioni pratiche del motore con geometria a fibra laminata dimostrano in laboratorio un microspecchio rotante azionato dalla luce. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aau8271
Per ulteriori informazioni sul meccanismo, gli scienziati hanno condotto simulazioni termiche ed elastiche accoppiate ad elementi finiti. I risultati hanno confermato i risultati sperimentali e hanno indicato che la direzione di propagazione dell'onda Lamb generata nel sistema piastra-microfibra era indipendente dalla direzione di propagazione della luce all'interno della microfibra.
Lu et al. proporre di utilizzare il motore su scala nanometrica così sviluppato in una varietà di campi compresi i sistemi micro-opto-elettromeccanici nello spazio esterno, durante la conversione dell'energia e nella meccanica di alta precisione del vuoto. La piastra rotante può essere utilizzata anche come microspecchio di scansione per deviare un raggio laser come mostrato nello studio, per la scansione laser in sistemi lidar in miniatura per mappare il mondo in 3D o come sistemi di visualizzazione laser e modulazione/commutazione ottica per microsistemi integrati. La nuova scoperta della locomozione azionata dalla luce può aprire una nuova era di guida e manipolazione ottica alla risoluzione sub-nanometrica della locomozione per il movimento controllato. Il lavoro consentirà a fisici e scienziati dei materiali di esplorare il nuovo panorama della nanomanipolazione ottica in ambienti che richiedono un nuovo paradigma, al di là della funzione a base liquida esistente.
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