(PhysOrg.com) - Nanoskala -maskiner som förväntas ha stor tillämpning inom industrin, energi, medicin och andra områden kan en dag fungera mycket mer effektivt tack vare viktiga teoretiska upptäckter om manipulation av kända Casimir-styrkor som ägde rum vid det amerikanska energidepartementets Ames Laboratory.

Den banbrytande forskningen, utförs genom matematiska simuleringar, avslöjade möjligheten för en ny klass av material som kan utöva en frånstötande kraft när de placeras extremt nära varandra. Den frånstötande kraften, som utnyttjar ett kvantfenomen känt som Casimir-effekten, kan en dag tillåta maskiner i nanoskala att övervinna mekanisk friktion.

Även om friktionskrafterna i miljöer i nanoskala är små, de hämmar avsevärt funktionen hos de små enheter som är utformade för att fungera i detta område, förklarade Costas Soukoulis, en senior fysiker vid Ames Lab och framstående professor i fysik vid Iowa State University, som ledde forskningssatsningen.

Soukoulis och hans lagkamrater, inklusive Ames Laboratory assisterande forskare Thomas Koschny, var de första att studera användningen av exotiska material som kallas kirala metamaterial som ett sätt att utnyttja Casimir-effekten. Deras ansträngningar har visat att det verkligen är möjligt att manipulera Casimirstyrkan. Resultaten publicerades den 4 september, 2009 års nummer av Fysiska granskningsbrev , i en artikel med titeln, "Repulsiv Casimir Force i kirala metamaterial."

För att förstå vikten av deras upptäckt krävs en grundläggande förståelse för både Casimir-effekten och den unika naturen hos kirala metamaterial.

Casimir-effekten är uppkallad efter den holländska fysikern Hendrik Casimir, som postulerade dess existens 1948. Med hjälp av kvantteori, Casimir förutspådde att energi borde existera även i ett vakuum, vilket kan ge upphov till krafter som verkar på de kroppar som förs i nära anslutning till varandra. För det enkla fallet med två parallella plattor, han postulerade att energitätheten inuti gapet skulle minska när storleken på gapet minskar, det betyder också att arbete måste göras för att dra isär plattorna. Alternativt en attraktionskraft som trycker plattorna närmare varandra kan sägas finnas.

Casimir-krafter som observerats experimentellt i naturen har nästan alltid varit attraktiva och har gjort maskiner i nanoskala och mikroskala obrukbara genom att få deras rörliga delar att permanent hålla ihop. Detta har varit ett långvarigt problem som forskare som arbetar med sådana enheter har kämpat för att övervinna.

Anmärkningsvärt, denna nya upptäckt visar att en frånstötande Casimir-effekt är möjlig med hjälp av kirala metamaterial. Kirala material delar en intressant egenskap:deras molekylära struktur hindrar dem från att läggas över en omvänd kopia av sig själva, på samma sätt kan en mänsklig hand inte passa perfekt ovanpå en omvänd bild av sig själv. Kirala material är ganska vanliga i naturen. Sockermolekylen (sackaros) är ett exempel. Dock, naturliga kirala material är oförmögna att producera en frånstötande Casimir-effekt som är tillräckligt stark för att vara praktiskt användbar.

Av den anledningen, gruppen riktade sin uppmärksamhet mot kirala metamaterial, så namngivna för att de inte finns i naturen och istället måste göras i labbet. Det faktum att de är konstgjorda ger dem en unik fördel, kommenterade Koschny. "Med naturmaterial måste du ta vad naturen ger dig; med metamaterial, du kan skapa ett material som exakt uppfyller dina krav, " han sa.

De kirala metamaterialen som forskarna fokuserade på har en unik geometrisk struktur som gjorde det möjligt för dem att förändra naturen hos energivågor, såsom de som är placerade i springan mellan de två tätt placerade plattorna, vilket får dessa vågor att utöva en frånstötande Casimir-kraft.

Föreliggande studie utfördes med hjälp av matematiska simuleringar på grund av svårigheterna med att tillverka dessa material med halvledarlitografiska tekniker. Medan mer arbete behöver göras för att avgöra om kirala material kan inducera en frånstötande Casimir-kraft som är tillräckligt stark för att övervinna friktion i nanoskala enheter, praktiska tillämpningar av Casimir-effekten studeras redan vid andra DOE-anläggningar, inklusive Los Alamos och Sandia nationella laboratorier. Båda har uttryckt stort intresse för att använda de kirala metamaterialen designade vid Ames Laboratory för att tillverka nya strukturer och minska den attraktiva Casimir-kraften, och möjligen för att få en frånstötande Casimir-styrka.

Källa:Ames Laboratory (nyheter:webb)