Newtons tredje lag dikterar att krafterna mellan interagerande partiklar är lika och motsatta för slutna system. I en icke-jämviktsmiljö, den tredje lagen kan trotsas, ger upphov till "icke-ömsesidiga" krafter. Teoretiskt sett, detta visades när det var olika, optiskt fångade partiklar medierades av ett externt fält. I en nyligen genomförd studie, Yuval Yifat och kollegor mätte de icke-reciproka nettokrafterna i elektrodynamiskt interagerande, asymmetriska nanopartikeldimerer och nanopartikelaggregat. I experimenten, nanopartikelstrukturerna var begränsade till pseudo endimensionella geometrier och upplysta av plana vågor. Den observerade rörelsen berodde på bevarandet av total rörelsemängd för partiklar och fält med bruten spegelsymmetri (representerad av en ändrad rörelseriktning). Resultaten publiceras nu på Ljus:Vetenskap och tillämpningar .

Möjligheten att omvandla ljusenergi till självriktad rörelse med ljusdrivna nanomotorer eller mikromaskiner har redan väckt stort intresse. En mängd olika metoder inom optik kan producera rotationsrörelse eller ge upphov till translationell rörelse med fotoreaktiva material. Löftet att konstruera ljusdrivna nanomotorer uppstod från nyligen genomfört teoretiskt arbete, som förutspådde att olika partiklar upplysta av en elektromagnetisk plan våg, kommer att uppleva en icke-ömsesidig nettokraft.

De förutsagda icke-reciproka krafterna visades med simuleringar variera mycket lite med separation mellan partiklar. Dock, raka experimentella bevis på fenomenet har inte presenterats hittills. Att utforska de reaktiva optiska effekterna kan öppna nya möjligheter för självmontering, ljusdrivna mikromaskiner för att förebåda ett nytt fält inom optik och fotonik.

För att fylla det experimentella gapet, i denna studie, Yifat et al. demonstrerade självrörlighet med hjälp av optiskt bundna dimerer av oproportionerliga metalliska nanopartiklar (NP). De experimentella fynden stöddes också av kvantitativa elektrodynamiska simuleringar. Förutom dimerer, forskarna genererade och mätte på liknande sätt rörelsen hos asymmetriska nanopartikelkluster eller sammansättningar. För att utföra experimenten, Yifat et al. använde en standardinställning för optisk infångning med en Ti:Sapphire-laser som arbetar vid en våglängd av 790 nm. En hårt fokuserad, cirkulärt polariserad spatialt fasmodulerad ljusstråle bildade en optisk ringfälla.

I studien, rörelsen hos en infångad blandning av silver (Ag) nanopartiklar med 150 nm – 200 nm diameter mättes med mörkfältsmikroskopi vid en hög bildhastighet på 290 fps. Partiklarna spårades, och deras exakta position används för att beräkna vinkelpositionen (θi) på ringen. Forskarna genomförde partikelavbildning och spårning med hjälp av verktygslådan för spårning av mosaikpartiklar som är tillgänglig via programvaran Image J.

Yifat et al. observerade en "heterodimer" av olika partiklar där den riktade rörelsen av elektrodynamiskt interagerande par var mot den större partikeln. Omvänt, när två partiklar av samma storlek, benämnd "homodimer" kom i närheten, riktad rörelse observerades inte. Resultaten överensstämde med de krafter som beräknats med hjälp av den generaliserade Mie-teorin (GMT). Forskarna observerade inte full eller fri rotation i experimentet - det manifesterade vridmomentet och dess effekt kommer att undersökas vidare i framtida arbete.

Därefter, Yifat et al. avbildade de representativa tidsbanorna för θ _c (den centrala vinkeln för paret) för heterodimererna och homodimererna. I heterodimererna, rörelsen av paret var riktad mot den större partikeln och kunde därför röra sig medurs eller moturs, runt ringen beroende på dess orientering. Forskarna upprepade experimenten och kombinerade resultaten. I de kombinerade data med olika heterodimerorientering, positiv hastighet definierades som vektorn från det mindre provet mot den större partikeln.

Till exempel, heterodimererna uppvisade en positiv medelvinkelhastighet vid en optisk bindningsseparation av 600 ± 150 nm och en negativ medelvinkelhastighet när separationen var större vid 900 ± 150 nm. I kontrast, medelvinkelhastigheten för en homodimer var noll för alla separationer. Förändringen i medelhastighet och rörelsen av heterodimerparet mot den större, termiskt hetare partiklar berodde på det elektromagnetiska fältet och inte på värmeinducerad självtermofores (dvs lokal temperaturgradient genererad på grund av laseradsorption av de metallbelagda partiklarna).

Fynden överensstämde med tidigare publikationer om asymmetrin hos ljus som sprids av optiskt fångade föremål. Den simulerade rörelsen riktades på liknande sätt från den lilla partikeln till den större partikeln. Forskarna observerade en separationsberoende obalans av vinkelspridning (där mer ljus spreds i en riktning än en annan). Asymmetrin i spridning på långt håll skapade en kraft på dimeren, sätter den i rörelse som observerats. Liknande asymmetrisk spridning har tidigare observerats för plasmonisk nanoantenn. Yifat et al. använde samma experimentella tillvägagångssätt för att studera guld (Au) nanostjärndimerer och stora asymmetriska aggregat av guldnanopartiklar.

På det här sättet, forskarna demonstrerade experimentellt ljusdriven rörelse av heterodimerer och asymmetriska spridare i optiska ringfällor för att kvantifiera icke-reciproka nettokrafter i endimensionella plana vågfält. Även om experimenten var begränsade till en ringfälla i denna studie, strategin är överförbar till vilken optiskt instängd materia som helst som uppvisar elektromagnetisk asymmetri. Den optiska fångst som användes i studien erbjöd lösningar på den experimentella utmaningen att generera riktad rörelse i nanoskala. Icke-reciproka krafter i studien skapade de självrörliga partiklarna utan användning av kemiska miljöer, kemiska bränslen eller komplexa strukturer.

Den elektrodynamiska teorin och simuleringarna som genomfördes samtidigt i studien visade också att interpartikelinteraktioner orsakade asymmetrisk spridning i heterodimererna. Arbetet följde alltså i grunden Noethers teorem (symmetrin i ett fysiskt systems verkan innehåller en motsvarande bevarandelag). Följaktligen, Yuvat et al. rationalisera att den observerade självrörligheten och de kvantifierade icke-reciproka krafterna följde av bevarandet av total fart hos partiklar och fält, för system med bruten symmetri. Forskarna föreställer sig användningen av sådana ljusdrivna asymmetriska nanopartikelaggregat som aktiva kolloider med artificiella kemotaktiska system, och som fullt operativa "nanosimmare" för forskning inom mjuk kondenserad materia och biofysik.

© 2018 Science X Network