Оптический наномотор преобразует свет в энергию

Исследователи из Техасского университета в Остине (UT) создали управляемый светом оптотермокапиллярный нанодвигатель, который может работать на твердой подложке, при этом избегая любых помех от броуновского движения. Предыдущие двигатели такого типа требовали погружения в жидкую среду, что ограничивало точность их управления и, соответственно, диапазон применения. Работа опубликована в ACS Nano.

Наномоторы в жидких средах должны бороться с эффектами броуновского движения — явления, которое возникает, когда молекулы воды по сути мешают вращению управляемых светом наномоторов. Чем меньше двигатель, тем сильнее броуновское движение. Когда двигатель удаляется из жидкого раствора, броуновское движение подавляется — так преодолевается одно из самых больших препятствий, ограничивающих применение наномоторов.

Первый в мире твердотельный оптический нанодвигатель состоит из термочувствительного слоя твердого хлорида цетилтриметиламмония (СТАС, цетримония хлорид), зажатого между стеклянной подложкой и наночастицами золота размером 80 нм.

Оптотермокапиллярный наномотор вращается на твердой подложке при попадании на него света. Твердое состояние наномотора возможно благодаря тому, что исследователи ввели тонкий слой материала с фазовым переходом на твердую подложку. Когда тонкая пленка подвергается воздействию света (лазерного луча), то происходит обратимый переход слоя хлорида цетилтриметиламмония из твердой фазы в квазижидкую. Это фазовое изменение уменьшает силу трения наномотора и формирует термокапиллярные напряжения на границе между золотыми частицами и CTAC. Наконец, взаимодействие между оптическими и термокапиллярными силами запускает вращение наночастицы золота по кругу вокруг луча света.

Таким образом, ученые UT смогли продемонстрировать орбитальное вращение 80-нм золотых наночастиц вокруг лазерного луча на твердой подложке, контролируя взаимодействие частиц наномотора с подложкой и термокапиллярную активацию. Они вели наблюдение за вращением мотора через микроскоп, чтобы анализировать радиус вращения и его скорость. Также в ходе исследования была рассчитана работа, выполняемая двигателем — по эффективности она оказалась сопоставима с уже существующими микроскопическими оптическими двигателями.

По словам исследователей, наномоторы представляют собой нечто среднее между молекулярными машинами и микродвигателями. По сути, наномоторы имитируют определенные биологические структуры. В природе биологические «двигатели» управляют делением и движением клеток. Совместное усилие этих биомоторов помогает придать организмам подвижность.

Благодаря способности работать на кристалле в окружающей среде крошечные двигатели с легким приводом могут широко применяться в самых разных отраслях. Благодаря вращательному движению они могут собирать пыль и другие частицы, что делает их полезными для измерения качества воздуха. Наномоторы также могут приводить в движение наноустройства вплоть до механизмов доставки лекарств в человеческое тело. Также они способны питать энергией крошечные дроны и другие миниатюрные транспортные средства. В целом, бестопливные и безредукторные двигатели, преобразующие свет в механическую энергию, могли бы питать ряд твердотельных микро- и наноэлектромеханических систем. 

Сейчас авторы разработки планируют усовершенствовать оптические наномоторы, повышая их производительность, делая их более стабильными и простыми в управлении. Эти усовершенствования позволят наномоторам преобразовывать свет в механическую энергию с более высокой скоростью.