(Phys.org) – Forskare har visat att pinwheel-formade mikroväxlar som flyter på en vätskeyta kan rotera med hastigheter på upp till 300 r.p.m. när den lyser av en vanlig lysdiod. Denna ljusdrivna rörelse, som uppstår eftersom ljuset skapar en liten temperaturskillnad och, senare, en ytspänningsskillnad i den omgivande vätskan, är ungefär fem storleksordningar effektivare än andra mekanismer som omvandlar ljus till arbete. Eftersom effekten inte är storleksberoende, forskarna förväntar sig att systemet skulle kunna skalas till både makroskala och nanoskala.

Forskarna, Claudio Maggi och medförfattare från universitetet i Rom, det italienska tekniska institutet i Genova, och NANOTEC-CNR Institute of Nanotechnology i Rom, har publicerat en artikel om den nya demonstrationen av omvandling från ljus till arbete i ett färskt nummer av Naturkommunikation .

I deras studie, forskarna tillverkade mikroväxlarna med laserlitografi, belagt dem med ett lager av amorft kol för att öka ljusabsorptionen, och sänkte dem i en vätska. De avsatte sedan en liten droppe av den vätskeinnehållande vätskan på en mikroskopglasskiva och belyste den med en lysdiod. Medan tidigare ljusdrivna motorer i allmänhet kräver laserstrålar med hög effekt för att inducera rörelse, här kan den breda LED-lampan inducera rörelse med bara några mikrowatt effekt per växel, motsvarande 100, 000 gånger högre konverteringseffektivitet från ljus till arbete.

Anledningen till effektivitetsökningen är att det nya systemet fungerar under en helt annan omvandlingsmekanism för ljus till arbete. Tidigare, liknande system har förlitat sig på antingen strålningstrycket som utövas av högfokuserade laserstrålar, eller på termofores, vilket är den långsamma migrationen av fasta partiklar som induceras av termiska gradienter i den omgivande vätskan. För att uppnå termofores, hälften av partikeln är täckt av en värmeabsorberande beläggning, så att när de utsätts för stark belysning, partikeln kommer att drivas längs en temperaturgradient.

I det nya systemet, motorerna är helt täckta av en värmeabsorberande beläggning, så att de för det mesta är jämnt uppvärmda. Dock, de inre hörnen av varje motors pinwheel form blir varmare än de yttre, som genererar en asymmetrisk temperaturgradient i den omgivande vätskan. Eftersom ytspänningen vanligtvis minskar med temperaturen, denna temperaturgradient – ​​även när den är så liten som några millikelvin – orsakar en ytspänningsgradient, vilket innebär att kapillärkrafter i vätskan drar ojämnt i mikroväxlarna. Den ojämna dragningen resulterar i ett nettovridmoment, vilket får mikroväxlarna att snurra snabbt.

Som forskarna förklarar, denna effekt är mycket lik Marangoni-effekten, vilket också innebär en ytspänningsgradient. I Marangoni-effekten, vätskor och små föremål placerade på ytan av en vätska med en ytspänningsgradient kommer att röra sig från området med den låga ytspänningen mot området med den högre ytspänningen. Även om tidigare studier har använt mycket fokuserade lasrar för att demonstrera Marangoni-framdrivning, denna studie är första gången som den har uppnåtts med inkoherent vidfältsbelysning, som en vanlig LED.

I framtiden, denna effektiva ljusdrivna rörelse kan användas i en mängd olika applikationer i olika skalor, från miniatyrsolbilar till nanomaskiner.

"Solarfordon tillåter transport på land, vatten och luft med solljus som primär energikälla, " berättade Maggi Phys.org . "Omvandlingen av ljus till rörelse kräver i allmänhet vissa omvandlingssteg mellan olika energiformer. Vanligtvis är de elfordon som drivs av solceller som i ett första skede omvandlar solljus till elektrisk energi. Denna indirekta strategi, dock, innebär en hög grad av komplexitet som sätter stora begränsningar för miniatyriseringen av solmotorer på mikrometerskala."

"Å andra sidan, generering av framdrivning i små skalor är av avgörande betydelse för driften av mikro- och nanomaskiner inom det så kallade lab-on-a chipet, " sa Roberto Di Leonardo vid det italienska nationella forskningsrådet, och teamkoordinatorn. "Framtida forskning i denna riktning kan leda till utvecklingen av mikromaskiner som kan transportera små laster, såsom enskilda celler, inom miniatyriserade enheter som drivs av den enkla exponeringen för solljus."

© 2015 Phys.org