Forscher demonstrieren lichtinduzierte Fortbewegung in einer nicht flüssigen Umgebung und berichten über eine neue Art von flüssigkeitsähnlicher Bewegung

Bewegung ist überall in lebenden Systemen und wird für mechanische Funktionen in künstlichen Systemen wie Robotern und Maschinen benötigt. Funktionelle mechanische Strukturen, die Volumen und Form als Reaktion auf äußere Reize (z. B. Licht, Wärme, Elektrizität, Feuchtigkeit und Chemie) ändern können, haben vielfältige Anwendungsperspektiven im Bereich der Biomechanik und bionischer Roboter. Sie haben ein immenses Forschungsinteresse auf sich gezogen, insbesondere im Mikro- und Nanobereich.

Viele Vorschläge für Aktuatoren stützen sich auf Licht als Energiequelle. Optische Kraft wird häufig verwendet, um Mikroobjekte zu manipulieren, aufgrund ihrer einzigartigen Vorteile von Präzision, Unmittelbarkeit und Fähigkeit zur Miniaturisierung. Das grundlegende Prinzip der optischen Manipulation besteht darin, dass Photonen einen Impuls tragen, der bei Streu- und Absorptionsprozessen auf Objekte übertragen werden kann und somit deren Bewegung ermöglicht. Die durch Impulsübertragung erzeugte optische Kraft liegt jedoch auf einem Piconewton-Niveau, das viel kleiner ist als die Adhäsionskraft an einer festen Grenzfläche, was es schwierig macht, in nicht flüssigen Umgebungen zu arbeiten.

Eine Lösung bieten lichtinduzierte elastische Wellen. Induziert durch Temperaturanstieg durch optische Absorption in Mikroobjekten vermitteln sie eine ausreichende mechanische Verschiebung, damit Mikroobjekte auf festen Grenzflächen kriechen können. Die Idee wurde erfolgreich mit Goldmikroplatten in mikrofaserbasierten Systemen veranschaulicht. Solche bahnbrechenden Ergebnisse fördern neue Perspektiven für lichtbetriebene Mikromotoren an festen Grenzflächen, aber es bleiben noch Fragen zu erforschen. So ist das Aktuatorprinzip theoretisch auf jedes Mikroobjekt anwendbar, das durch Absorption von Licht elastische Wellen erzeugen kann, aber es wurde noch nicht auf andere absorbierende, elastische Materialien ausgedehnt. Außerdem müssen potenzielle Probleme im Zusammenhang mit thermischen Effekten (z. B. thermische Beschädigung und Schmelzen) noch angegangen werden.

Wie in berichtet Advanced Photonics Nexusnäherten sich Forscher des Hangzhou Institute for Advanced Study, der Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Westlake University diesen herausragenden Fragen, indem sie die Bewegung zweidimensionaler topologischer Isolator-Antimon-Tellurid-Platten auf Mikrofasern untersuchten, an die Laserimpulse abgegeben werden.

Antimontellurid, Sb2Te3, ist ein einzigartiges Quantenmaterial mit topologisch geschützten Grenzflächenzuständen, die zu mehreren faszinierenden elektrischen und optischen Eigenschaften führen, wie z. Die Forscher nutzten diese Eigenschaften, um Licht zur Erzeugung elastischer Wellen effizient zu absorbieren. Da Sb2Te3 eine eher geringe Wärmeleitfähigkeit hat (~1 W/m/K, nahe an Glas und zwei Größenordnungen kleiner als Gold), kann es auch die Wärmediffusion abschwächen und thermische Effekte verstärken.

Experimentell implementierte das Team ein mikrofaserbasiertes Betätigungssystem in einer Kammer eines Rasterelektronenmikroskops (REM), in der die lichtinduzierte Betätigung genau charakterisiert werden kann. Ihre erfolgreichen Beobachtungen der kontinuierlichen Spiralbewegung von Sb2Te3-Platten ergänzen frühere Ergebnisse mit Goldplatten und liefern neue Beweise zur Unterstützung des Betätigungsprinzips auf der Grundlage lichtinduzierter elastischer Wellen.

Das Team untersuchte die thermischen Auswirkungen auf die Betätigung in ihrem System, indem es die Laserleistung absichtlich erhöhte. Sie beobachteten eine neue Art von flüssigkeitsähnlicher Bewegung, die völlig andere Eigenschaften als die auf elastischen Wellen basierende Spiralbewegung aufweist. Sie stellen fest, dass dieses Phänomen durch die Bildung von Mikrohöckern verursacht wird, die durch den Marangoni-Effekt induziert werden, der ein üblicher thermischer Effekt ist. Die asymmetrische Verformung des thermisch induzierten flüssigkeitsähnlichen Zustands liefert die treibende Kraft.

Viele einzigartige Anwendungen sind mit einem lichtaktivierten Aktuator in einer nichtflüssigen Umgebung sofort vorstellbar. Beispielsweise kann eine mobile photonische Modulation/Schaltung durch die Zuführung von Mikroobjekten an gezielte Positionen zur Steuerung des Lichtflusses realisiert werden, indem diese Technik in ein On-Chip-Wellenleiternetzwerk integriert wird. Darüber hinaus können Multimode-Mikroroboter, die in einem Vakuumsystem arbeiten, realisiert werden, indem das Fahrlicht und die Geometrie des Aktuators sorgfältig entworfen werden.