Les moteurs sont partout dans notre vie quotidienne, des voitures aux machines à laver. Un domaine scientifique futuriste travaille sur de minuscules moteurs qui pourraient alimenter un réseau de nanomachines et remplacer certaines des sources d’alimentation que nous utilisons aujourd’hui dans les appareils.
Dans une nouvelle recherche publiée récemment dans ACS Nano, des chercheurs de la Cockrell School of Engineering de l’Université du Texas à Austin ont créé le tout premier nanomoteur optique à semi-conducteurs. Toutes les versions précédentes de ces moteurs alimentés par la lumière résident dans une solution quelconque, qui a retenu leur potentiel pour la plupart des applications du monde réel.
« La vie a commencé dans l’eau et s’est finalement déplacée sur terre », a déclaré Yuebing Zheng, professeur agrégé au département de génie mécanique de Walker. « Nous avons fait fonctionner ces micro-nanomoteurs qui ont toujours vécu en solution sur terre, à l’état solide. »
Les chercheurs envisagent ces moteurs alimentant une variété de choses. Le mouvement de rotation pourrait ramasser de la poussière et d’autres particules, ce qui le rend utile pour la mesure de la qualité de l’air. Ils pourraient propulser des dispositifs d’administration de médicaments dans le corps humain. Et ils pourraient alimenter de minuscules drones pour la surveillance et les mesures, ainsi que d’autres mini-véhicules.
Le nouveau moteur mesure moins de 100 nanomètres de large et peut tourner sur un substrat solide sous un éclairage lumineux. Il peut servir de moteur sans carburant et sans engrenage pour convertir la lumière en énergie mécanique pour divers systèmes micro-/nano-électromécaniques à semi-conducteurs.
Amener ces nanomoteurs sur terre et hors de l’eau, pour ainsi dire, évite le mouvement brownien, l’un des plus grands obstacles à la mise en œuvre de ces dispositifs. Cela se produit lorsque les molécules d’eau poussent ces petits moteurs hors de leur rotation. Plus le moteur est petit, plus ce mouvement devient fort. La suppression de la solution du côté de l’équation traite entièrement ce problème.
Les nanomoteurs font partie d’un domaine vaste et croissant de sources d’alimentation miniatures. Ils servent de terrain d’entente à l’échelle entre les machines moléculaires à l’extrémité la plus petite et les micro-moteurs à l’extrémité la plus grande.
Le domaine est d’un immense intérêt, mais à ce stade, les chercheurs essaient toujours de comprendre la science fondamentale pour rendre ces minuscules moteurs plus viables grâce à une efficacité accrue.
La raison pour laquelle les scientifiques sont si passionnés par la création de ces minuscules moteurs est qu’ils imitent certaines des structures biologiques les plus importantes. Dans la nature, ces moteurs pilotent la division des cellules et les aident à se déplacer. Ils se combinent pour aider les organismes à se déplacer.
« Les nanomoteurs nous aident à contrôler avec précision le nanomonde et à créer de nouvelles choses que nous voulons pour notre monde réel », a déclaré Jingang Li, titulaire d’un doctorat. diplômé du groupe de Zheng et auteur principal de cette étude.
En retirant ces moteurs de la solution et en les plaçant sur des puces, ils ont le potentiel de remplacer les batteries dans certains cas, en utilisant uniquement la lumière pour générer des mouvements mécaniques et des dispositifs d’alimentation.
Cette percée découle d’une nouvelle conception : une fine couche de matériau à changement de phase sur le substrat. Le film mince peut subir un changement local et réversible de la phase solide à une phase quasi-liquide lorsqu’il est exposé à la lumière. Ce changement de phase peut réduire la force de friction des nanomoteurs et entraîne la rotation.
Il s’agissait de la première démonstration par l’équipe des moteurs utilisant des nanoparticules. À l’avenir, les chercheurs continueront d’améliorer leur création, en travaillant sur l’amélioration des performances, en les rendant plus stables et contrôlables, ce qui conduit à convertir la lumière en énergie mécanique à des taux plus élevés.
Jingang Li et al, Nanomoteurs opto-thermocapillaires sur substrats solides, ACS Nano (2022). DOI : 10.1021/acsnano.1c09800