Forskare från Chalmers tekniska högskola, Sverige, har lyckats skapa små fordon som drivs av inget annat än ljus. Genom att skikta en optisk metayta på en mikroskopisk partikel, och sedan använda en ljuskälla för att styra den, de lyckades flytta de små fordonen på en mängd olika komplexa och exakta sätt – och till och med använda dem för att transportera andra föremål.

Ljus har en inneboende kraft att flytta mikroskopiska föremål - en egenskap som tidigare använts för att utveckla den Nobelprisbelönta forskningsidén om "optisk pincett, " som använder en högfokuserad laserstråle för att kontrollera och manövrera små partiklar med otrolig precision.

Nu, en forskargrupp vid Chalmers tekniska högskola och Göteborgs universitet har visat hur även ett ofokuserat ljus kan användas för att manövrera mikroskopiska partiklar på ett kontrollerat sätt. Deras forskning publicerades nyligen i tidskriften Naturens nanoteknik .

Forskarna tillverkade fordon i en skala av 10 mikrometer breda och 1 mikrometer tjocka - en tusendels millimeter. Fordonen bestod av en liten partikel, belagd med något som kallas en "metasyta." Metasytor är ultratunna arrangemang av noggrant designade och ordnade nanopartiklar, skräddarsydda för direkt ljus på intressanta och ovanliga sätt. De erbjuder fascinerande möjligheter för användning i avancerade komponenter för optiska applikationer som kameror, mikroskop och elektroniska displayer. Vanligtvis, de tenderar att ses som stationära föremål, med deras användning ses som förmågan att kontrollera och påverka ljus. Men här, forskarna tittade på det tvärtom, att undersöka hur krafterna till följd av ljusets förändring i rörelsemängd kunde användas för att styra metaytan.

Som två poolbollar som kolliderar

Forskarna tog sina mikroskopiska fordon, som de kallade "metabilar, "och placerade dem på botten av en vattenskål, använde sedan en löst fokuserad laser för att rikta en plan ljusvåg mot dem. Genom en rent mekanisk process - värmen som genereras av ljuset spelar ingen roll i effekten - kan fordonen sedan flyttas i en mängd olika mönster. Genom att justera ljusets intensitet och polarisering, forskarna lyckas kontrollera fordonens rörelse och hastighet med hög precision, navigera dem i olika riktningar och komplexa mönster, till exempel åttasiffror.

"Enligt Newtons tredje lag, för varje handling finns det en lika och motsatt reaktion - detta betyder att när ljuset träffar metaytan, och avleds i en ny riktning, metaytan skjuts också undan åt andra hållet. Föreställ dig att spela biljard, när två bollar träffar varandra och studsar iväg åt olika håll. I detta fall, fotonerna och metaytan är som de där två poolbollarna, " förklarar Mikael Käll, Professor vid institutionen för fysik vid Chalmers tekniska högskola, medförfattare till artikeln och ledare för forskningsprojektet.

Transport av andra små föremål

"Metabilarna var stabila, och deras navigering var mycket förutsägbar och kontrollerbar. Med avancerade automatiserade återkopplingssystem, och mer sofistikerad kontroll av intensiteten och polariseringen av ljuskällan, ännu mer komplex navigering skulle vara möjlig, " förklarar Daniel Andrén, tidigare vid institutionen för fysik på Chalmers och huvudförfattare till studien.

Forskarna experimenterade också med att använda metavehicles som transportörer, att trycka runt små partiklar i tanken. Metavehicles visade sig kunna transportera föremål inklusive en mikroskopisk polystyrenpärla och en jästpartikel genom vattnet med lätthet. De lyckades till och med trycka en dammpartikel 15 gånger så stor som själva metafordonet.

Just nu, de praktiska tillämpningarna av denna upptäckt kan vara en väg bort. Men forskningens grundläggande karaktär gör att dess värde kanske inte är uppenbart ännu.

"I utforskningen av optiska krafter, det finns många intressanta effekter som ännu inte är helt klarlagda. Det är inte tillämpningar som driver den här typen av forskning, men utforskning av de olika möjligheterna. I ett antal olika skeden framåt, man vet aldrig vad som kommer att hända. Men det faktum att vi visade hur metavehicles kan användas som transportörer är den till en början mest lovande potentiella tillämpningen, till exempel för att flytta partiklar genom celllösningar, " förklarar Mikael Käll.

Forskningen presenteras i artikeln "Microscopic Metavehicles Powered and Steered by Embedded Optical Metasurfaces" i tidskriften Naturens nanoteknik .