Les chercheurs démontrent la locomotion induite par la lumière dans un environnement non liquide et signalent un nouveau type de mouvement de type liquide

Le mouvement est partout dans les systèmes vivants et est nécessaire aux fonctions mécaniques des systèmes artificiels, tels que les robots et les machines. Les structures mécaniques fonctionnelles qui peuvent changer de volume et de forme en réponse à des stimuli externes (tels que la lumière, la chaleur, l’électricité, l’humidité et la chimie) ont un large éventail de perspectives d’application dans le domaine de la biomécanique et des robots bioniques. Ils ont suscité un immense intérêt pour la recherche, en particulier aux micro- et nano-échelles.

De nombreuses propositions d’actionneurs reposent sur la lumière comme source d’énergie. La force optique est couramment utilisée pour manipuler des micro-objets, en raison de ses avantages uniques de précision, d’immédiateté et de capacité de miniaturisation. Le principe fondamental impliqué dans la manipulation optique est que les photons transportent une quantité de mouvement qui peut être transférée aux objets pendant les processus de diffusion et d’absorption, et par conséquent permettre leur mouvement. Mais la force optique produite par le transfert d’impulsion se situe à un niveau du piconewton, qui est beaucoup plus petit que la force d’adhérence sur une interface solide, ce qui rend difficile le travail dans des environnements non liquides.

Les ondes élastiques induites par la lumière présentent une solution. Induites par l’élévation de température par absorption optique dans les micro-objets, elles véhiculent un déplacement mécanique suffisant pour permettre aux micro-objets de ramper sur des interfaces solides. L’idée a été illustrée avec succès avec des microplaques d’or dans des systèmes à base de microfibres. Ces résultats pionniers encouragent de nouvelles perspectives pour les micromoteurs pilotés par la lumière sur des interfaces solides, mais il reste des questions à explorer. Par exemple, le principe d’actionnement est théoriquement applicable à tout micro-objet capable de générer des ondes élastiques en absorbant la lumière, mais il n’a pas encore été étendu à d’autres matériaux élastiques absorbants. En outre, les problèmes potentiels associés aux effets thermiques (tels que les dommages thermiques et la fonte) restent à résoudre.

Comme rapporté dans Nexus photonique avancédes chercheurs de l’Institut d’études avancées de Hangzhou, de l’Université de l’Académie chinoise des sciences et de l’Université de Westlake ont abordé ces questions en suspens en étudiant le mouvement de plaques de tellurure d’antimoine isolantes topologiques bidimensionnelles sur des microfibres auxquelles des impulsions laser sont délivrées.

Le tellurure d’antimoine, Sb2Te3, est un matériau quantique unique hébergeant des états de surface aux limites topologiquement protégés qui conduisent à plusieurs propriétés électriques et optiques fascinantes, telles que le verrouillage de l’impulsion de spin des électrons et les excitations de plasmons ultralarge bande. Les chercheurs ont exploité ces propriétés pour absorber efficacement la lumière afin de générer des ondes élastiques. Étant donné que Sb2Te3 a une conductivité thermique plutôt faible (~1 W/m/K, proche du verre et deux ordres de grandeur plus petit que l’or), il peut également atténuer la diffusion de la chaleur et intensifier les effets thermiques.

Expérimentalement, l’équipe a mis en œuvre un système d’actionnement à base de microfibres dans une chambre de microscope électronique à balayage (SEM), où l’actionnement induit par la lumière peut être caractérisé avec précision. Leurs observations réussies du mouvement en spirale continu des plaques Sb2Te3 complètent les résultats précédents avec des plaques d’or, apportant de nouvelles preuves à l’appui du principe d’actionnement basé sur les ondes élastiques induites par la lumière.

L’équipe a étudié les effets thermiques sur l’actionnement dans leur système en augmentant intentionnellement la puissance du laser. Ils ont observé un nouveau type de mouvement de type liquide qui présente des caractéristiques complètement différentes du mouvement en spirale basé sur les ondes élastiques. Ils notent que ce phénomène est causé par la formation des micro-bosses induites par l’effet Marangoni, qui est un effet thermique courant. La déformation asymétrique de l’état de type liquide induit thermiquement fournit la force motrice.

De nombreuses applications uniques peuvent être immédiatement envisagées avec un actionneur activé par la lumière dans un environnement non liquide. Par exemple, la modulation/commutation photonique mobile en délivrant des micro-objets à des positions ciblées pour contrôler le flux lumineux peut être réalisée en intégrant cette technique dans un réseau de guides d’ondes sur puce. De plus, des micro-robots multimodes fonctionnant dans un système de vide peuvent être réalisés en concevant soigneusement la lumière de conduite et la géométrie de l’actionneur.