Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers, Suecia, han tenido éxito en la creación de pequeños vehículos propulsados ​​únicamente por luz. Al colocar una metasuperficie óptica sobre una partícula microscópica, y luego usando una fuente de luz para controlarlo, consiguieron mover los diminutos vehículos de diversas formas complejas y precisas, e incluso utilizarlos para transportar otros objetos.

La luz tiene un poder inherente para mover objetos microscópicos, una propiedad que se utilizó anteriormente para desarrollar la idea de investigación ganadora del premio Nobel de "pinzas ópticas, "que utilizan un rayo láser altamente enfocado para controlar y maniobrar partículas diminutas con una precisión increíble.

Ahora, un grupo de investigación de la Universidad Tecnológica de Chalmers y la Universidad de Gotemburgo ha demostrado cómo incluso una luz desenfocada se puede utilizar para maniobrar partículas microscópicas de manera controlada. Su investigación fue publicada recientemente en la revista Nanotecnología de la naturaleza .

Los investigadores fabricaron vehículos a una escala de 10 micrómetros de ancho y 1 micrómetro de espesor, una milésima de milímetro. Los vehículos consistían en una pequeña partícula, recubierto con algo conocido como 'metasuperficie'. Las metauperficies son arreglos ultrafinos de nanopartículas cuidadosamente diseñadas y ordenadas, diseñado para dirigir la luz de formas interesantes e inusuales. Ofrecen fascinantes posibilidades de uso en componentes avanzados para aplicaciones ópticas como cámaras, microscopios y pantallas electrónicas. Generalmente, tienden a ser considerados como objetos estacionarios, siendo visto su uso como la capacidad de controlar y afectar la luz. Pero aquí, los investigadores lo miraron al revés, investigando cómo las fuerzas resultantes del cambio de impulso de la luz podrían usarse para controlar la meta-superficie.

Como dos bolas de billar chocando

Los investigadores tomaron sus vehículos microscópicos, que denominaron "metavehículos, "y las puso en el fondo de un plato de agua, luego usó un láser poco enfocado para dirigir una onda plana de luz hacia ellos. Mediante un proceso puramente mecánico, el calor generado por la luz no interviene en el efecto, los vehículos podrían moverse en una variedad de patrones. Ajustando la intensidad y polarización de la luz, los investigadores lograron controlar el movimiento y la velocidad de los vehículos con un alto nivel de precisión, navegar por ellos en diferentes direcciones y patrones complejos, como cifras de ocho.

"Según la tercera ley de Newton, para cada acción hay una reacción igual y opuesta; esto significa que cuando la luz incide en la meta-superficie, y se desvía en una nueva dirección, la meta-superficie también se aleja en la otra dirección. Imagina jugar al billar cuando dos bolas se golpean y rebotan en diferentes direcciones. En este caso, los fotones y la meta superficie son como esas dos bolas de billar, "explica Mikael Käll, Profesor del Departamento de Física de la Universidad Tecnológica de Chalmers, coautor del artículo y líder del proyecto de investigación.

Transporte de otros objetos pequeños

"Los metavehículos estaban estables, y su navegación era altamente predecible y controlable. Con sistemas avanzados de retroalimentación automatizada, y un control más sofisticado de la intensidad y polarización de la fuente de luz, sería posible una navegación aún más compleja, "explica Daniel Andrén, anteriormente del Departamento de Física de Chalmers y autor principal del estudio.

Los investigadores también experimentaron con el uso de metavehículos como transportadores, para empujar pequeñas partículas alrededor del tanque. Los metavehículos demostraron ser capaces de transportar objetos como una microesfera de poliestireno y una partícula de levadura a través del agua con facilidad. Incluso lograron empujar una partícula de polvo 15 veces el tamaño del propio metavehículo.

En este momento, las aplicaciones prácticas de este descubrimiento pueden estar muy lejos. Pero la naturaleza fundamental de la investigación significa que es posible que su valor aún no sea evidente.

"En la exploración de las fuerzas ópticas, hay muchos efectos interesantes que aún no se comprenden completamente. No son las aplicaciones las que impulsan este tipo de investigación, sino exploración de las diferentes posibilidades. En varias etapas diferentes por delante, nunca se sabe lo que pasará. Pero el hecho de que mostramos cómo se pueden utilizar los metavehículos como transportadores es la aplicación potencial más prometedora en un principio, por ejemplo, para mover partículas a través de soluciones celulares, "explica Mikael Käll.

La investigación se presenta en el artículo "Microscopic Metavehicles Powered and Steered by Embedded Optical Metasurfaces" en la revista Nanotecnología de la naturaleza .