Ricercatori della Chalmers University of Technology, Svezia, sono riusciti a creare minuscoli veicoli alimentati solo dalla luce. Stratificando una metasuperficie ottica su una particella microscopica, e quindi usando una fonte di luce per controllarlo, sono riusciti a spostare i minuscoli veicoli in una varietà di modi complessi e precisi e persino a usarli per trasportare altri oggetti.

La luce ha un potere intrinseco di spostare oggetti microscopici, una proprietà precedentemente utilizzata per sviluppare l'idea di ricerca vincitrice del premio Nobel delle "pinzette ottiche, " che utilizzano un raggio laser altamente focalizzato per controllare e manovrare minuscole particelle con incredibile precisione.

Ora, un gruppo di ricerca presso la Chalmers University of Technology e l'Università di Göteborg ha dimostrato come anche una luce non focalizzata possa essere utilizzata per manovrare particelle microscopiche in modo controllato. La loro ricerca è stata recentemente pubblicata sulla rivista Nanotecnologia della natura .

I ricercatori hanno prodotto veicoli su una scala di 10 micrometri di larghezza e 1 micrometro di spessore, un millesimo di millimetro. I veicoli erano costituiti da una minuscola particella, rivestito con qualcosa noto come "metasuperficie." Le metasuperfici sono disposizioni ultrasottili di nanoparticelle accuratamente progettate e ordinate, su misura per dirigere la luce in modi interessanti e insoliti. Offrono affascinanti possibilità di utilizzo in componenti avanzati per applicazioni ottiche come fotocamere, microscopi e display elettronici. Generalmente, tendono ad essere pensati come oggetti stazionari, con il loro uso visto come la capacità di controllare e influenzare la luce. Ma qui, i ricercatori hanno guardato al contrario, indagando su come le forze risultanti dal cambiamento di quantità di moto della luce potrebbero essere utilizzate per controllare la meta-superficie.

Come due palle da biliardo che si scontrano

I ricercatori hanno preso i loro veicoli microscopici, che chiamavano "metaveicoli, " e li depose sul fondo di una bacinella, poi hanno usato un laser debolmente focalizzato per dirigere su di loro un'onda piana di luce. Con un processo puramente meccanico - il calore generato dalla luce non ha alcun ruolo nell'effetto - i veicoli potrebbero quindi essere spostati in una varietà di schemi. Regolando l'intensità e la polarizzazione della luce, i ricercatori riuscendo a controllare il movimento e la velocità dei veicoli con un alto livello di precisione, navigandoli in direzioni diverse e schemi complessi, come cifre di otto.

"Secondo la terza legge di Newton, per ogni azione c'è una reazione uguale e contraria, questo significa che quando la luce colpisce la meta-superficie, e viene deviato in una nuova direzione, anche la metasuperficie viene spinta via nell'altra direzione. Immagina di giocare a biliardo, quando due palline si colpiscono e rimbalzano in direzioni diverse. In questo caso, i fotoni e la meta superficie sono come quelle due palle da biliardo, " spiega Mikael Käll, Professore presso il Dipartimento di Fisica della Chalmers University of Technology, coautore dell'articolo e capofila del progetto di ricerca.

Trasporto di altri piccoli oggetti

"I metaveicoli erano stabili, e la loro navigazione era altamente prevedibile e controllabile. Con avanzati sistemi di feedback automatizzati, e un controllo più sofisticato dell'intensità e della polarizzazione della sorgente luminosa, sarebbe possibile una navigazione ancora più complessa, " spiega Daniel Andrén, ex del Dipartimento di Fisica di Chalmers e autore principale dello studio.

I ricercatori hanno anche sperimentato l'utilizzo dei metaveicoli come trasportatori, per spingere piccole particelle intorno al serbatoio. I metaveicoli si sono dimostrati in grado di trasportare facilmente oggetti tra cui una microscopica perlina di polistirene e una particella di lievito attraverso l'acqua. Sono persino riusciti a spingere una particella di polvere 15 volte più grande del metaveicolo stesso.

Al momento, le applicazioni pratiche di questa scoperta possono essere lontane. Ma la natura fondamentale della ricerca fa sì che il suo valore possa non essere ancora evidente.

"Nell'esplorazione delle forze ottiche, ci sono molti effetti interessanti che non sono ancora completamente compresi. Non sono le applicazioni a guidare questo tipo di ricerca, ma esplorazione delle diverse possibilità. In diverse fasi a venire, non sai mai cosa accadrà. Ma il fatto che abbiamo mostrato come i metaveicoli possono essere usati come trasportatori è l'applicazione potenziale inizialmente più promettente, ad esempio per spostare particelle attraverso soluzioni cellulari, " spiega Mikael Käll.

La ricerca è presentata nell'articolo "Microscopic Metavehicles Powered and Steered by Embedded Optical Metasurfaces" sulla rivista Nanotecnologia della natura .