Ученые научились вращать шестеренки с помощью света

Итальянские ученые открыли способ эффективной конверсии света в движение с помощью микроскопических шестеренок и светодиода, сообщает N+1 со ссылкой на журнал Nature Communications.

Итальянцы выяснили, что если на поверхность раздела воздух-жидкость поместить микроскопическую шестеренку и освещать ее слабым светодиодом, то шестеренка начнет вращаться. При этом исследователям удалось добиться частоты вращения в 300 оборотов в минуту, что на пять порядков ранее обнаруженных способов конверсии света в движение.

В своей работе исследователи использовали шестеренки, выполненные по типу цевочного колеса со скошенными зубцами. Внешний диаметр шестеренок, изготовленных методом лазерной литографии, составлял всего восемь микрометров, а толщина - 2,6 микрометра. Одна из плоскостей шестеренок покрывалась тонким слоем аморфного углерода, позволяющего увеличить поглощение светового потока и нагрев. Шестеренки изготавливались из хрома на кремниевой подложке, отделение от которой производилось при помощи средства для удаления фоторезиста.

Затем раствор вместе с шестеренками наносился на предметное стекло микроскопа. Во время экспериментов шестеренки начинали вращаться вокруг своей вертикальной оси под воздействием света мощностью около 15 микроватт на одну шестеренку. Для освещения использовался светодиод, дающий световое пятно радиусом около 140 микрометров и излучение мощностью 30 милливатт. Обнаружилось, что изменять скорость вращения шестеренок можно меняя интенсивность света, причем реакция на изменение происходит почти мгновенно.

По данным исследователей, вращение шестеренок происходит благодаря возникающему температурному градиенту на линии поверхностного натяжения жидкости. Ближе к внутреннему радиусу шестеренки температура становится выше и показатель поверхностного натяжения жидкости снижается. На внешнем радиусе температура оказывается ниже и показатель поверхностного натяжения увеличивается. Из-за разницы температур возникает капиллярная сила, которая и вращает шестеренки.

Итальянцы полагают, что в перспективе их открытие позволит создавать микроскопические механизмы и машины, работающие благодаря прямой конверсии света в движения. Их можно будет использовать, например, для транспортировки отдельных клеток в рамках лабораторных экспериментов. При этом конструкция таких микро- и наномашин будет более простой, по сравнению с существующими системами, в которых идет последовательное преобразование светового излучения в электрический ток.

Исследования конверсии света в движение проводятся на протяжении последних нескольких лет, однако до сих пор ученым удавалось добиться движения различных элементов на разделе воздух-жидкость при помощи гораздо более мощного лазерного или рентгеновского излучения.

Например, исследования проводились на янус-частицах, выполненных из нескольких частей разного химического состава. В частности, достаточно эффективно во время экспериментов двигались частицы, частично выполненные из золота.