Los investigadores han desarrollado una pequeña máquina nueva que convierte la luz láser en trabajo. Estas máquinas de potencia óptica se autoensamblan y podrían usarse para la manipulación a nanoescala de cargas diminutas para aplicaciones como nanofluidos y clasificación de partículas.

"Nuestro trabajo aborda un objetivo de larga data en la comunidad de la nanociencia de crear máquinas a nanoescala autoensambladas que puedan realizar trabajos en entornos convencionales, como líquidos a temperatura ambiente, ", dijo el líder del equipo de investigación Norbert F. Scherer de la Universidad de Chicago.

Scherer y sus colegas describen las nuevas nanomáquinas en Optica . Las máquinas se basan en un tipo de materia conocida como materia óptica en la que las nanopartículas metálicas se mantienen unidas por la luz en lugar de los enlaces químicos que mantienen unidos los átomos que forman la materia típica.

"Tanto la energía para ensamblar la máquina como la potencia para hacerla funcionar provienen de la luz, ", dijo Scherer." Una vez que la luz láser se introduce en una solución que contiene nanopartículas, todo el proceso ocurre por sí solo. Aunque el usuario no necesita controlar o dirigir activamente el resultado, esto podría hacerse fácilmente para adaptar las máquinas a diversas aplicaciones ".

Creando materia óptica

En materia óptica, un campo de luz láser crea interacciones entre nanopartículas de metal que son mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz. Estas interacciones hacen que las partículas se autoensamblen en matrices ordenadas. Este es un principio similar al atrapamiento óptico, en el que la luz se utiliza para sujetar y manipular partículas, moléculas y células biológicas.

En trabajos anteriores, Los investigadores descubrieron que cuando la materia óptica se expone a luz polarizada circularmente, gira como un cuerpo rígido en la dirección opuesta a la rotación de polarización. En otras palabras, cuando la luz incidente gira en una dirección, la matriz de materia óptica responde girando la otra. Esta es una manifestación de "torque negativo". Los investigadores especularon que se podría desarrollar una máquina basándose en este nuevo fenómeno.

En el nuevo trabajo los investigadores crearon una máquina de materia óptica que funciona de manera muy similar a una máquina mecánica basada en engranajes entrelazados. En tales máquinas, cuando se gira una marcha, un engranaje de enclavamiento más pequeño girará en la dirección opuesta. La máquina de materia óptica utiliza luz polarizada circularmente de un láser para crear una matriz de nanopartículas que actúa como el engranaje más grande al girar en el campo óptico. Este "engranaje de materia óptica" convierte la luz polarizada circularmente en orbital, o angular, impulso que influye en una partícula sonda cercana para orbitar la matriz de nanopartículas (el engranaje) en la dirección opuesta.

Determinando la eficiencia

Los investigadores fabricaron dos máquinas basadas en este diseño utilizando luz láser con una longitud de onda de 600 nanómetros y nanopartículas plateadas de solo 150 nanómetros de diámetro en agua. Descubrieron que el uso de un engranaje hecho de ocho nanopartículas creaba una máquina más eficiente que un engranaje de siete nanopartículas, sugiriendo que la eficiencia de la máquina podría alterarse construyendo diferentes engranajes.

"Creemos que lo que demostramos, con mayor refinamiento, será útil en nanofluidos y clasificación de partículas, "dijo John Parker, estudiante de posgrado y primer autor. "Nuestras simulaciones muestran que una máquina mucho más grande hecha de muchas más partículas debería poder ejercer más energía en la sonda, de modo que ese es un aspecto de refinamiento que anticipamos seguir ".

Los investigadores ahora están experimentando con la fabricación de máquinas con muchas más partículas o con partículas de diferentes materiales. La practicidad de la máquina también podría mejorarse creando engranajes estampados donde las nanopartículas están inmóviles. Esto permitiría la capacidad de abordar y combinar ópticamente varios engranajes para hacer una máquina más compleja.