Napędzane i sterowane tylko za pomocą światła. Szwedzcy naukowcy prezentują wyjątkowe mikropojazdy 30.09.2021

Ultramałe maszyny zostały wyposażone w niewielkie zbiorniki, dzięki czemu z powodzeniem transportowały styropianowe kuleczki albo cząstki drożdży. Może to znaleźć zastosowanie w medycynie. 

W XXI wieku urządzenia zasilane energią słoneczną nie powinny już nikogo dziwić – szczególnie, że coraz więcej gospodarstw domowych decyduje się na instalację paneli fotowoltaicznych. Naukowcy ze szwedzkiego Chalmers University of Technology skorzystali z wiedzy w tym zakresie, jednak ich główną inspiracją był inny wynalazek – tzw. szczypce świetlne, za których opatentowanie amerykański fizyk Arthur Ashkin otrzymał w 2018 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Urządzenie wykorzystuje wąski promień lasera do manipulacji mikroskopijnymi obiektami, na przykład poprzez ich przyspieszenie. 

Szwedzi chcieli sprawdzić, czy da się stworzyć pojazdy poruszane jedynie za pomocą fal świetlnych. Aby tego dokonać, umieścili na ich ultramałej (10 mikrometrów szerokości i 1 mikrometr grubości) powierzchni powłokę, którą przyjęło się określać mianem tzw. metapowierzchni. To ultracienki układ uporządkowanych nanocząsteczek, przystosowanych do kierowania światła w określony sposób. Zazwyczaj myśli się o nich jak o nieruchomych obiektach – są wykorzystywane przy produkcji kamer, mikroskopów albo urządzeń elektronicznych. Tym razem zastanowiono się nad tym, czy siły wynikające ze zmiany pędu światła mogą sterować metapowierzchniami. 

Naukowcy umieścili „metapojazdy" (tak roboczo mówią o swoim wynalazku) na dnie naczynia z wodą, a następnie skierowali na nie płaską falę światła. Dzięki czysto mechanicznemu procesowi, w którym generowane ciepło nie odgrywało żadnej roli, z powodzeniem udało się manewrować niewielkimi maszynami. Określona polaryzacja i intensywność fal pozwalała na przejęcie kontroli nad urządzeniami do tego stopnia, że mogły wykonywać ósemki w wybranym tempie. 

– Jak mówi trzecie prawo dynamiki Newtona, dla każdej akcji istnieje równa, przeciwna reakcja. Oznacza to, że światło uderzające w metapowierzchnię i odchylane w nowym kierunku sprawia, że ta jest odpychana w przeciwną stronę. Wyobraźmy sobie bilard, gdzie dwie kule uderzają o siebie i odbijają się w różne miejsca. Tak dzieje się również w przypadku fotonów i metapowierzchni – mówi w oficjalnym oświadczeniu Mikael Käll, profesor fizyki i współautor projektu. 

Kontrolowanie „metapojazdów" za pomocą światła nie jest jedynym osiągnięciem Szwedów. Okazało się, że egzamin zdało także przymocowanie do prototypów niewielkich zbiorników, w których mogły być transportowane mikroskopijne styropianowe kuleczki, a także cząstki kurzu czy drożdży. Skandynawowie są dalecy od snucia futurologicznych wizji, ale wierzą, że ich wynalazek może znaleźć zastosowanie w medycynie – w przenoszeniu cząsteczek leków lub innych substancji przez roztwory komórkowe. 

Ze szczegółowym omówieniem prac badaczy z Chalmers University of Technology można zapoznać się na łamach specjalistycznego periodyku „Nature Nanotechnology". Skrót wniosków z projektu ukazano zaś w poniższym filmie.