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  • Motores impulsados ​​por ondas Lamb a nanoescala en entornos no líquidos

    Ilustración esquemática de una configuración experimental con una placa de oro hexagonal en una microfibra y una luz supercontinua pulsada entregada en la microfibra, con potencia luminosa medida en la salida (duración del pulso 2,6 ns, tasa de repetición 5 kHz, longitud de onda de 450 a 2400 nm). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aau8271

    El movimiento impulsado por la luz es un desafío en entornos no líquidos, ya que los objetos de tamaño micro pueden experimentar una fuerte adhesión en seco a las superficies de contacto y resistir el movimiento. En un estudio reciente, Jinsheng Lu y compañeros de trabajo de la Facultad de Ciencias e Ingeniería Ópticas, Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, Escuela de Ingeniería y el Instituto de Tecnología Avanzada en China y Singapur, desarrolló un sistema de vacío y logró una locomoción rotatoria donde un micrómetro, placa hexagonal de metal de aproximadamente 30 nm de espesor girada alrededor de una microfibra. Ellos accionaron el motor (placa-fibra) usando una luz pulsada, que fue guiada en la fibra por una onda Lamb ópticamente excitada. El procedimiento permitió un motor de geometría de placa-fibra favorable para aplicaciones optomecánicas en la práctica; Los resultados del estudio ahora se publican en Avances de la ciencia .

    La luz puede inducir la rotación mecánica de forma remota, al instante y con precisión. La rotación a micro / nanoescala inducida por la luz puede generar amplias aplicaciones en el accionamiento mecánico, para manipular biomoléculas y entregar carga. En ambientes líquidos, Los científicos han demostrado la rotación impulsada por la luz al transferir el momento lineal y angular a objetos de tamaño micro. En ambientes no líquidos, las fuerzas de adhesión dominantes impiden el movimiento de objetos de tamaño micro. Dado que la adherencia puede obstaculizar seriamente el funcionamiento de motores rotativos accionados por transferencia de impulso, El líquido se usa típicamente para minimizar impactos no deseados.

    En el presente trabajo, Lu y col. desviado de esta visión de larga data para informar sobre un motor accionado por luz, donde las fuerzas de adhesión en el aire permitían la rotación de forma contraria a la intuición. El proceso fue asistido por la onda de Lamb (una expansión termoelástica generada por el calentamiento plasmónico de la luz de pulso absorbida) y la configuración geométrica de la placa-fibra.

    En el trabajo, Lu y col. demostró un microespejo accionado por luz con una resolución de barrido de 0,001 grados. Controlaron la velocidad de rotación y la resolución de parada del motor (placa de oro en una microfibra) variando la frecuencia de repetición y la onda de pulso en la configuración. Los científicos mostraron que el motor se arrastraba paso a paso, con resolución de locomoción sub nanométrica en el experimento. El trabajo ofrece un potencial de aplicación sin precedentes para integrarse en sistemas micro-opto-electromecánicos, controles y mecánicos de precisión totalmente ópticos del espacio exterior, y como escaneo láser para sistemas lidar en miniatura (sistemas de navegación / cartografía basados ​​en la luz).

    Rotación de un motor en aire accionada por luz. Un motor que es impulsado por una luz supercontinua pulsada con diferentes tasas de repetición en el aire (la película se aceleró 10x). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aau8271

    Para construir las microfibras, Lu y col. usó una técnica de dibujo calentada con llama y sintetizó la placa de oro que contiene un solo cristal con una superficie atómica lisa, en forma de hexágonos o triángulos como se informó anteriormente. Luego suspendieron experimentalmente la microfibra óptica uniformemente fina en el aire, o aspirar y colocar la placa de oro sobre ella con una sonda. Utilizaron imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) para ver el sistema de microfibras de placa. Durante los movimientos instantáneos de encendido / apagado de un láser de onda continua (CW), los científicos observaron un movimiento azimutal sutilmente débil de la placa de oro. El movimiento se debió a la expansión / contracción de la placa de oro, el efecto accidental desencadenó la entrega pulsada de una luz supercontinua en la microfibra.

    Usando este proceso, los científicos mostraron cómo la placa de oro giraba alrededor de la microfibra a medida que los pulsos de luz se dirigían a la configuración donde las fuerzas de Van der Waals eran responsables de la firme adherencia de la placa a la microfibra. De paso, Dado que la separación entre la placa de oro y la microfibra era tan pequeña, las fuerzas de Van der Waals se volvieron dominantes. Cuando los científicos realizaron el mismo experimento en líquido, las fuerzas de adhesión se hicieron más pequeñas, en este caso, la placa de oro se alejó de la microfibra y dejó de girar, mostrando la necesidad de fuerzas de adhesión para el movimiento en esta configuración.

    IZQUIERDA:Rotación accionada por luz de un motor en aire y vacío. (A) Esquema de la configuración experimental que muestra que una luz supercontinua pulsada (duración del pulso, 2,6 ns; tasa de repetición, 5 kHz; longitud de onda, 450 a 2400 nm) se entrega en una microfibra y la potencia de la luz se mide con un medidor de potencia en el extremo de salida. La microfibra está suspendida al aire o al vacío, y la placa de oro se coloca sobre él y luego gira a su alrededor debido a la activación de la luz pulsada. (B) Micrografía electrónica de barrido de color falso de una placa de oro (longitud lateral, 11 µm; espesor, 30 nm) debajo de una microfibra con un radio de 880 nm. Tenga en cuenta que el sistema de microfibras de placa se coloca sobre un sustrato de silicio después de los experimentos de rotación. (C) Secuenciación de imágenes de microscopía óptica de la placa de oro giratoria en sentido antihorario alrededor de la microfibra en el aire (muestra A, 5 kHz). La potencia lumínica media medida es de 0,6 mW. (D) Secuenciación de imágenes SEM de una placa de oro giratoria en el sentido de las agujas del reloj (longitud del lado largo, 10,5 µm; longitud lateral corta, 3,7 µm; espesor, 30 nm) alrededor de una microfibra (radio, 2 μm) al vacío. La potencia lumínica media medida es de 1,5 mW. Las flechas en (C) y (D) representan la dirección de propagación de la luz. Los círculos grises y las líneas amarillas debajo de (C) y (D) indican la microfibra y la placa, respectivamente. Las flechas curvas rojas indican la dirección de rotación de la placa. DERECHA:Relación entre la velocidad de rotación y la tasa de repetición. (A) Ancho efectivo (Weff) de la placa obtenida de cada fotograma de videos experimentales (muestra A, 1 kHz). (B) Transformación de Fourier del ancho efectivo para obtener su frecuencia de variación (es decir, velocidad de rotación de la placa). (C) La velocidad de rotación del motor accionada por luz aumenta linealmente con la tasa de repetición de los pulsos de luz, y diferentes muestras dan resultados similares. La potencia de cada pulso de luz permanece igual cuando se cambia la tasa de repetición. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aau8271

    El motor también funcionaba en vacío, donde la presión del gas era aproximadamente nueve órdenes de magnitud más baja que en el aire. La velocidad de rotación fue linealmente proporcional a la tasa de repetición de los pulsos de luz y aumentó linealmente, para mostrar que un solo pulso de luz podría hacer que el motor rote en un ángulo extremadamente fino. Lu y col. usó un generador de forma de onda para producir una señal que podría activar la fuente de luz para emitir un número específico de pulsos y calculó el ángulo entre la microfibra y la placa usando el método de proyección. Cada pulso de luz accionaba el motor para que girara en un ángulo constante. Los científicos confirmaron este resultado con más experimentos.

    Los científicos descartaron las fuerzas ópticas como fuerza impulsora durante la rotación, dado que el uso de fuentes de láser CW de diferentes longitudes de onda no provocó ninguna rotación; solo una fuente de luz pulsada con una sola longitud de onda (1064 nm) podría hacer girar el motor. Indicando que los pulsos jugaron un papel fundamental para generar movimiento. Estudios anteriores habían demostrado de manera similar que la luz pulsada podría excitar fonones coherentes para inducir la expansión y contracción de la red. para propagar ondas acústicas inducidas por la luz para muchas aplicaciones prácticas en optofluídica y bioimagen.

    IZQUIERDA:Un motor rotativo paso a paso. (A) Esquema que muestra que se emite un número específico (n) de pulsos de luz a una tasa de repetición de 1 kHz cuando la fuente de luz detecta un borde positivo en cada entrada de disparo. La señal de disparo eléctrico de 1 Hz es generada por un generador de forma de onda. (B) Ángulo de paso del motor que aumenta linealmente con el número de pulso de luz (n) para una de las entradas de disparo. El motor gira alrededor de 0,1 ° por cada pulso de luz. (C) Rotación escalonada del motor cuando los números de pulso de luz (n) son 500 y 200. DERECHA:Una aplicación de ejemplo, demostrando un microespejo para escaneo láser. (A) Representación esquemática de una placa giratoria utilizada como microespejo para desviar el haz de luz. El haz reflejado gira 2θ cuando la placa gira θ. La distancia entre la placa y la pantalla blanca de campo lejano es L (6,4 cm). La relación entre la posición del punto láser en la pantalla blanca (y) y el ángulo de rotación de la luz reflejada (2θ) es y =L × tan (2θ). (B) Secuenciación de imágenes ópticas del punto láser (cuyo centro está marcado con círculos rojos) en la pantalla en el campo lejano. (C) Posición teóricamente esperada y medida experimentalmente del punto láser en la pantalla blanca. La velocidad de rotación de la placa, accionado por pulsos de luz a una tasa de repetición de 5 kHz en el experimento, es 0,95 rpm (0,1 rad / s). La relación preconcebida entre y y t es y =L × tan (2ωt + θ0) =6.4tan (0.2t + θ0). θ0 es el ángulo inicial. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aau8271

    Los presentes resultados se observaron específicamente desde que Lu et al. generó una onda Lamb inducida por luz pulsada en la fina placa de oro colocada en la superficie de la microfibra, para mover la placa por la superficie de microfibra. Iluminaron el fenómeno explicando que primero, cuando un láser pulsado se enfoca en una línea en la superficie de una película absorbente de luz, Se pueden generar ondas acústicas superficiales conocidas como ondas de Rayleigh. La luz pulsada es luego absorbida por la película para calentar localmente la superficie, provocando la expansión termoelástica para generar ondas acústicas superficiales que pueden limpiar las partículas adhesivas en la superficie. La onda de Rayleigh y la onda de Lamb tienen patrones de movimiento similares, por lo tanto, por ejemplo, cuando el espesor de una película / placa es menor que la longitud de onda de una onda de Rayleigh, la onda de Rayleigh pasará gradualmente a una onda de Lamb.

    Las aplicaciones prácticas del motor de geometría de placa-fibra demuestran un microespejo giratorio accionado por luz en el laboratorio. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aau8271

    Para obtener información adicional sobre el mecanismo, Los científicos realizaron simulaciones térmicas y elásticas acopladas por elementos finitos. Los resultados confirmaron los resultados experimentales e indicaron que la dirección de propagación de la onda Lamb generada en el sistema placa-microfibra era independiente de la dirección de propagación de la luz dentro de la microfibra.

    Lu y col. proponen utilizar el motor a nanoescala así desarrollado en una variedad de campos, incluidos los sistemas micro-opto-electromecánicos en el espacio exterior, durante la conversión de energía y en la mecánica de alta precisión en vacío. La placa giratoria también se puede utilizar como un microespejo de escaneo para desviar un rayo láser como se muestra en el estudio. para escaneo láser en sistemas lidar en miniatura para mapear el mundo en 3D o como sistemas de visualización láser y modulación / conmutación óptica para microsistemas integrados. El nuevo descubrimiento de la locomoción accionada por luz puede abrir una nueva era de conducción óptica y manipulación con una resolución subnanométrica de locomoción para un movimiento controlado. El trabajo permitirá a físicos y científicos de materiales explorar el nuevo panorama de la nanomanipulación óptica en entornos que requieren un nuevo paradigma. más allá de la función de base líquida existente.

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