موتورهای نانومتری پیش‌رونده با نیروی نورلیزر
نیروی نوری ابزاری قدرتمند برای ایجاد پیشرانه در ریزماشین‌ها به حساب می‌آید. استفاده از نیروی نوری به عنوان نیروی پیشران ریزماشین‌ها، پتانسیل بزرگی در کوچک‌سازی و ساده‌سازی سیستم‌های آزمایشگاهی بر روی تراشه فراهم می‌کند. ریزماشین‌هایی که دارای محرکه نوری هستند در حوزه‌های ریزسیالاتی که شیرها و پمپ‌های آنها به شکل اپتیکی کار می‌کنند مورد نیاز واقع می‌شوند. در حقیقت این وسایل، کوچک‌تر از آن هستند که بتوان از سایر راهکارهای موجود غیر نوری برای عملکرد بهینه و مجزای آنها بهره جست. در این راستا راه حل‌های نوری ویژه‌ای برای عملکرد آنها استفاده می‌شود. به این ترتیب نیروی نوری گرادیانی که توسط کانونی کردن شدید، دقیق و سخت پرتو لیزر ایجاد می‌شود، محرک‌های حرکتی گوناگون را فعال می‌کند. اما این روش‌های نوری هم، نقطه ضعف‌ها و محدودیت‌هایی دارند که می‌توان به این موارد اشاره کرد: شکل و جنس ذرات پیش رونده، فاصله عمل که توسط اندازه هندسی عدسی کانونی‌کننده ایجاد می‌شود و وضوح فضایی توزیع نیروی ناشی از حد پراش نور. همچنین برای ایجاد حرکت نیاز به کنترل و رانش لیزری است. بنابراین رویکرد عمومی که اغلب به کانونی ساختن و کنترل و رانش پرتو لیزر فرودی نیاز دارد چالشی در مسیر پیشرانی نوری ریزماشین‌ها محسوب می‌شود. به نوعی می‌توان گفت گلوگاه یکپارچه‌سازی و ایمپلنت ریز ماشین‌های هدایت شونده با نور وجود همین مشکلات است.
در این میان تحقیقات انجام گرفته توسط پژوهشگران موسسه علوم صنعتی دانشگاه توکیو، برای غلبه بر این مشکلات راه گشا به‌نظر می‌رسد. آنها گونه‌ای از نانوموتورهای خطی را طراحی کردند که می‌توانند با کمک نور لیزر در جهات کنترل شده حرکت کنند. با ظهور این نوع نانوموتور خطی مبتنی بر یک ذره پلاسمونیک، به سبب بروز پراکندگی جهت‌دار از آن، حتی در صورت نوردهی با یک موج تخت، شاهد ایجاد نیروی نوری جانبی خواهیم بود. به این ترتیب جهت‌گیری نانو موتورها است که جهت نیرو را مشخص می‌کند نه گرادیان میدان و یا جهت انتشار نور فرودی. بر اساس این روش، کنترل جهت‌گیری نانوموتورها بسیار ساده‌تر از کنترل نور فرودی لیزر خواهد بود و به این ترتیب کار هدایت نانو موتورها ساده می‌شود.
جفت نانو میله نامتقارن
در این کار از جفت نانومیله‌های نامتقارن استفاده شده است و پراکندگی در جهت جانبی منجر به حرکات کنترل شده یک بلوک سلیکا در اندازه نامومتری شده است . در حقیقت نانومیله‌ها برای غلبه بر نیروی براونی در این بلوک‌های سیلیکا جاسازی شده اند. چیدمان ذرات امکان کنترل توزیع نیروی جانبی با وضوح بالاتر از حد پراش را داشته و امکان ایجاد حرکتهای طراحی شده ریزاشیا جاسازی شده را بدون نیاز به شکل‌دهی و کنترل و رانش پرتو لیزر فراهم می‌کند. این روش علاوه براینکه مشکل حد پراش نور و الزام به ایجاد فرود مورب نور با شکل دهی پرتو را برطرف می‌کند، نیروی وارد بر جسم را از شکل و ضریب شکست آن نیز مستقل می‌کند؛ به این معنی که نیروی اپتیکی فرودی فقط با نانوذراتی که به جسم متصل هستند برهمکنش دارند و با ویژگیهای جسم ارتباطی ندارند. نانوآنتن‌های پلاسمونیک در این نوآوری جدید امکان طراحی‌هایی را ایجاد می‌کنند که نه تنها نور پراکنده را هدایت کرده، بلکه می‌توان آنها را با توجه به پارامترهای مختلف نور فرودی مانند فرکانس و قطبش نیز کنترل کرد. بنابراین، این امکان را فراهم می‌کنند تا با کنترل جهت و اندازه نیروهای نوری جانبی با فرکانس، قطبش و شدت نور لیزر فرودی موتور را به حرکت درآورد.
نانو میله‌های جاسازی شده در بلوک سیلیکایی و هدایت وسیله توسط پرتو نور
همچنین، این ریز موتورها، علاوه بر حرکت خطی امکان حرکت چرخشی را هم دارند. هنگامی که چندین موتور وجود داشته باشند که در فرکانس‌های مختلف تشدید کار کنند و حرکات مختلفی مانند حرکت خطی و چرخشی ایجاد کنند، حرکت آنها را می‌توان با کلید زنی از طریق تغییر فرکانس نور فرودی از یک فرکانس تشدید به یک فرکانس دیگر به حرکت دیگری تبدیل کرد. به این ترتیب نانوذرات پلاسمونی می‌توانند از طریق مهندسی تشدید‌های وضعی پلاسمونیک پشتیبانی شده و نور پراکنده را در جهت خاصی هدایت کنند. در ضمن به‌طور خاص، نانوذرات چند عنصری که تشدید پلاسمون دو قطبی در فرکانس های مختلف دارند، امکان پراکندگی شدید بسیار جهت‌مند را حتی برای یک موج تخت، عمود بر جهت انتشار آن فراهم می‌کنند.
نانو موتورهای جاسازی شده برای ایجاد حرکت چرخشی. چرخش ایجاد شده در زمان‌های مختلف قابل مشاهده است.
به این ترتیب روش جدید دریچه‌ای تازه در مسیر توسعه میکرو و نانو ماشین‌هایی می‌گشاید که نیروی محرکه خود را توسط نور دریافت می‌کنند. تیم ژاپنی مبدع این روش، به دنبال دستیابی به نانوابزارهای اپتومکانیکی تازه‌ای با کنترل دینامیکی توزیع تنش نانومقیاس، شامل مواد کوک‌پذیر و ابزار گرافنی هستند.
از طرفی این محققان فکر می‌کنند با استفاده از این فناوری بستری برای توسعه ماشین‌آلات اندازه نانو فراهم شودکه با کمک قطعات متحرکی بتوانند مسیرهای از پیش‌تعیین شده با نور غیرکانونی را دنبال کنند و در مسیر با نیروی نور پیش روند. این فناوری در نهایت می‌تواند هزینه و پیچیدگی این دستگاه‌ها را کاهش دهد و باعث بهبود دقت و قابل اعتماد شدن این دستگاه‌ها نیز بشود.
منابع:
https://advances.sciencemag.org/content/6/45/eabc3726
https://www.photonics.com/Articles/Laser-Powered_Nanomotors_Follow_Their_Path/a66356