Ученые создают микромоторы размером меньше человеческого волоса: зачем они нужны
Шестеренки окружают нас повсюду — от часов и автомобилей до роботов и ветряных турбин. Более 30 лет ученые пытались создавать все более миниатюрные шестеренки для конструирования микродвигателей. Однако прогресс застопорился на отметке 0,1 миллиметра, поскольку сделать приводные механизмы меньшего размера оказалось просто невозможно.
Специалисты из Гетеборга преодолели этот барьер, отказавшись от традиционных механических приводов и используя вместо них лазерный свет, который непосредственно приводит шестеренки в движение.
В своем новом исследовании ученые показали, что микроскопические машины могут приводиться в действие оптическими метаматериалами — небольшими структурированными материалами, которые способны захватывать и контролировать свет на наноуровне. Шестеренки с оптическим метаматериалом изготавливаются из кремния при помощи традиционной литографии, непосредственно на микрочипе. Диаметр такой шестеренки составляет всего несколько десятков микрометров.
Направляя лазер на метаматериал, ученые заставляют такую шестеренку вращаться. Интенсивность лазерного света контролирует скорость вращения, а изменение его поляризации позволяет менять направление вращения шестеренки.
«Мы построили зубчатую передачу, в которой управляемая светом шестеренка приводит в движение всю цепь. Шестеренки также могут преобразовывать вращение в линейное движение, выполнять периодические движения и управлять микроскопическими зеркалами для отклонения света», — рассказывает соавтор работы Ган Ван, специалист по физике мягкой материи в Гетеборгском университете.
Возможность интегрировать такие машины непосредственно на чип и управлять ими при помощи света открывает совершенно новые перспективы. Поскольку лазерный свет не требует фиксированного контакта с машиной и легко управляется, микромотор можно масштабировать до сложных микросистем.
Это принципиально новый подход к механике в микромасштабе. Заменив громоздкие соединения светом, мы наконец можем преодолеть барьер размераэГан Ванспециалист по физике мягкой материи в Гетеборгском университете и соавтор разработки
Размер шестеренки может составлять всего 16−20 микрометров — в человеческом организме есть клетки такого же размера. Поэтому медицина — одна из областей применения новых устройств.
«Мы можем использовать новые микромоторы в качестве насосов внутри человеческого тела, например, для регулирования различных потоков. Я также изучаю, как они функционируют в качестве клапанов, которые открываются и закрываются», — говорит Ган Ван.
Потенциальные области применения таких устройств не ограничены медициной. Минимоторы могут найти место в оптике, стать элементами управления в лабораториях-на-чипе и в наноманипуляторах для исследования частиц и молекул. Механика на уровне клеток — это уже не фантастика, а реальный технологический тренд, в котором свет превращается в универсальную движущую силу.
Ранее ученые разработали миниатюрное легкое на чипе, которое поможет предсказать и победить новые пандемии.
