الباحثون يبنون التروس المجهرية مدعوم من الضوء في معلم للآلات النانوية

قام الباحثون ببناء آلات مجهرية – مع تروس العمل ، والرفوف ، والقرن – التي تعمل بالكامل على الضوء.

الدراسة التي نشرت مؤخرًا في طبيعة، Marks في المرة الأولى التي يقوم فيها المهندسون بتجميع “قطارات التروس” الوظيفية على مقاييس الميكرومتر ، وتسخير الفوتونات بدلاً من المحركات أو الأسلاك لدفع الحركة.

إذا نضبت التكنولوجيا ، فإن مستقبلها قد يبدو عمليًا بشكل مدهش. يمكن للميكرومترات التي تحركها الضوء ضخ الكواشف في مختبرات تشخيصية بحجم خادم ما بعد الطوابق ، أو المرايا التوجيهية داخل الكاميرات الفائقة ، أو الصمامات المفتوحة والإغلاق في زراعة توصيل الأدوية-لا توجد بطاريات أو الأسلاك المطلوبة.

في مراكز البيانات ، قد تؤدي أسراب أنظمة التروس هذه إلى إعادة تكوين الدوائر البصرية أثناء الطيران ، مما يساعد على توجيه إشارات الليزر بين الرقائق. وفي الأبحاث الطبية الحيوية ، يمكن للأسلحة البصرية الصغيرة التي يمكن أن تتلاعب ذات يوم من الخلايا المفردة أو البروتينات ذات التحكم المحدد ، مما يؤدي الآن إلى محفوظة للأدوات الضخمة والمكلفة.

تروس صغيرة ، طموحات كبيرة

يوضح الإنجاز ، الذي يقوده فريق من الفيزيائيين والمهندسين الذين يستخدمون أدوات تصنيع أشباه الموصلات القياسية ، جسرًا ممردًا طويلًا بين الضوئيات والميكانيكا: الآلات المصغرة التي تعمل بالطاقة والتحكم فيها بواسطة عوارض من الضوء.

كل “metamachine” ، كما يسميها المؤلفون ، محفور على شريحة باستخدام الطباعة الحجرية مماثلة لتلك المستخدمة في رقائق الكمبيوتر. عند إضاءة ، يقوم metasurfaces المنقوش بإعادة توجيه الفوتونات بطريقة تجعل زخمها – على الرغم من أنه – يحول إلى عزم الدوران ، ويضع الغزل التروس.

الأجهزة ليست مجرد أقراص دوارة. وهي تشمل مجموعات كاملة من الأجزاء المترابطة ، مثل قطارات التروس التي تنقل القوة ، وأنظمة الرف والثبات التي تحول الدوران إلى حركة خطية. عن طريق تغيير استقطاب الضوء أو التغيير والتبديل في هندسة metasurface ، يمكن للباحثين عكس الاتجاه أو تعديل السرعة.

حتى أنهم اقترنوا هذه المحركات المجهرية للمرايا ، مما يدل على كيف يمكن للحركة الميكانيكية تغيير الإشارات البصرية عند الطلب – لمحة محيرة في الدوائر البصرية القابلة لإعادة التكوين.

ومع ذلك ، كما هو الحال مع العديد من الاختراقات المبهرة ، تأتي النتائج مع تحذيرات تثيرها كدليل على المفهوم أكثر من النموذج الأولي العملي. كفاءة التحويل صغيرة تختفي ، حوالي عشرة تريليونات من طاقة الضوء.

بمعنى آخر ، تعمل هذه الآلات – ولكن بالكاد. عزم الدوران الذي يولدونه هو ضئيل ، والدورات بطيئة ، والعملية تعتمد بشكل غير مستقر على الإضاءة الدقيقة والبيئات المستقرة. يمكن أن تؤدي التأثيرات الحرارية من الضوء الممتص إلى إدخال الانجراف أو الأضرار ، وتواجه الآلات نفسها خصوم الميكانيكا الخالدة: الاحتكاك ، التآكل ، والتلوث.

من فضول المختبر إلى الأدوات المستقبلية

ومع ذلك ، فإن المظاهرة مهمة. على مدى عقود ، حاول الباحثون دمج المكونات الميكانيكية المتحركة مع الأنظمة البصرية والإلكترونية على مقاييس Micron ، فقط لضرب نهايات الهندسة. تتطلب المتقلبون الدقيق الكهربائي الأسلاك والاتصالات التي تصبح لا يمكن السيطرة عليها في مثل هذه الأبعاد. تجلب المحركات الكيميائية والمغناطيسية التعقيد وعدم التوافق مع تصنيع الرقائق.

يوفر Light بديلاً غير الاتصال-إذا كان من الممكن ترويضه للقيام بعمل مفيد. من خلال تضمين المساحات الضوئية مباشرة في هياكل التروس ، أظهر الفريق أن الفوتونات يمكن أن تعمل بالفعل كمصدر للطاقة ، مهما كانت غير فعالة ، للحركة الميكانيكية المرتبطة.

التطبيقات المحتملة واسعة النطاق ، إذا كانت بعيدة. في Microfluidics ، قد تتحرك المضخات أو الصمامات التي تحركها الضوء في يوم من الأيام الجزيئات بدون أقطاب أو أنابيب. في الاستشعار والبصريات ، يمكن للمرايا المصغرة والمصاريع توجيه أو تصفية الضوء بشكل ديناميكي ، ولبنات بناء للدوائر الضوئية الرشيقة.

يحلم علماء الأحياء بالأدوات الميكانيكية التي يمكن أن تعمل داخل الخلايا أو معالجة الكائنات المجهرية بدون أسلاك أو مغناطيس. حتى العلوم الأساسية يمكن أن تستفيد: يمكن أن تساعد صفائف هذه التروس الصغيرة الباحثين في دراسة الاحتكاك والالتصاق والارتداء على المقاييس التي تهيمن فيها قوى السطح.

كيف تعمل ، في مصغرة

ما يجعل النهج جذابًا بشكل خاص هو توافقه مع عمليات صنع الرقائق المعمول بها. يتم تصنيع الميتاماتشين من مواد شائعة باستخدام الخطوات الحجرية الروتينية بالفعل في مسابك أشباه الموصلات. وهذا يعني ، من الناحية النظرية ، أن الحقول الكاملة من المجهرية – البصرية أو الميكانيكية أو حتى البيولوجية – يمكن أن تدمج هذه الهياكل بسهولة مثل إضافة طبقة جديدة من الدوائر.

لكن إدراك أن الوعد سيتطلب حل قائمة هائلة من المشاكل. الضوء هو مصدر طاقة أنيق ، ولكنه ضعيف ؛ كل فوتون يحمل فقط wisp من الزخم. زيادة الناتج قد يطلب الليزر الشديد لدرجة أنها تقدم التدفئة المدمرة. يجب أن تتوافق أسنان التروس الصغيرة بدقة ذرية ، مما يجعلها عرضة للعيوب والغبار. وبينما تُظهر الدراسة العملية على مدار ساعات ، تظل الأسئلة حول طول العمر والتكرار والتحكم في البيئات الواقعية.

في الوقت الحالي ، من الأفضل النظر إلى الميتاماتشين على أنه مظاهرات رائعة لما هو ممكن وليس كمكونات جاهزة للاستخدام. ولكن في مجال تم فيه قياس التقدم منذ فترة طويلة في المقاييس النانوية ، حتى الخطوات الصغيرة يمكن أن تشعر بأنها ثورية. تظل رؤية المصانع المجهرية ، ونسيج الحركة من عوارض الضوء ، بعيدة – لكن فجأة ، لم تعد وهمية.