Ett mikroskopiskt modellsystem för att demonstrera överföringen av vridmoment i närvaro av termiska fluktuationer - nödvändig för att skapa en liten "koppling" som fungerar på nanoskala - har monterats vid University of Bristol som en del av ett internationellt samarbete.

När man kör bil, kopplingen transporterar mekaniskt vridmomentet från motorn till fordonets chassi - en koppling som länge har testats och optimerats i sådana makroskopiska maskiner, ger oss mycket effektiva motorer. För mikroskopiska maskiner, dock, att utveckla en koppling som fungerar i nanoskala är mycket mer utmanande eftersom, på mikroskopiska längdskalor, olika fysik måste beaktas. Termiska fluktuationer spelar en allt mer dominerande roll när en enhet miniatyriseras, leder till ökad energiförlust och behovet av att utveckla nya designprinciper.

I det mikroskopiska modellsystemet som utvecklats av forskare från Bristol, Düsseldorf, Mainz, Princeton och Santa Barbara, en ring av kolloidala partiklar är lokaliserade i en optisk pincett och översätts automatiskt på en cirkulär bana, överföring av en rotationsrörelse till en sammansättning av identiska kolloider begränsade till det inre området.

Dr Paddy Royall vid University of Bristol sa:"Den här enheten ser mycket ut som en tvättmaskin, men måtten är små. Genom optisk manipulation kan partikelringen klämmas efter behag, ändrar kopplingen mellan de drivna och belastade delarna av enheten och ger ett kopplingsliknande driftläge."

Kolloidala suspensioner tillhör den kategori av material som kallas "mjukt material", och mjukheten hos rotationsanordningen har visat sig leda till nya transmissionsfenomen som inte observeras i makroskopiska maskiner. "Att utnyttja nanomaterialens mjukhet ger oss ytterligare och oöverträffade kontrollmekanismer som kan användas vid design av mikroskopiska maskiner, " förklarade Dr Royall.

Förutom de experiment som utfördes vid University of Bristol, fysiker vid universitetet i Düsseldorf har utvecklat modelldatorsimuleringar för att ytterligare undersöka vridmomentkoppling på nanoskala. Detta möjliggör mätning av nanomaskinens effektivitet, som är liten men kan optimeras genom noggrann kontroll av systemparametrarna.

Forskarna har identifierat tre olika transmissionsregimer:ett solid-liknande scenario som överför vridmoment ungefär som en makroskopisk växel; ett vätskeliknande scenario där mycket av energitillförseln går förlorad till friktion och ett mellanliggande glidscenario som är unikt för mjuka material som kombinerar aspekter av det fasta och vätskeliknande beteendet.

"En grundläggande förståelse av kopplingsprocessen kommer att ge oss insikt i konstruktionen av nanomaskiner, där vridmomentöverföring är absolut nödvändig, " sa professor Hartmut Loewen vid universitetet i Düsseldorf.

Studien publiceras i Naturfysik .