Máquinas a nanoescala que convierten la luz en trabajo

Investigadores han desarrollado una nanomáquina que convierte la luz láser en trabajo. Estas máquinas de propulsión óptica se autoensamblan y podrían usarse para la manipulación a nanoescala de cargas diminutas para aplicaciones como nanofluidos y clasificación de partículas.


“Nuestro trabajo aborda un objetivo de larga data en la comunidad de la nanociencia, crear máquinas autoensamblantes a nanoescala que puedan realizar trabajos en entornos convencionales como líquidos a temperatura ambiente”, dijo el líder del equipo de investigación Norbert F. Scherer de la Universidad de Chicago.


Scherer y sus colegas describen las nuevas nanomáquinas en Optica, la revista de la Optical Society (OSA) para la investigación de alto impacto. Las máquinas se basan en un tipo de materia conocida como materia óptica en la que las nanopartículas metalicas se mantienen unidas por la luz en lugar de los enlaces químicos que mantienen unidos los átomos que forman la materia típica.


“Tanto la energía para ensamblar la máquina como la potencia para hacerla funcionar provienen de la luz”, dijo Scherer. “Una vez que la luz láser se introduce en una solución que contiene nanopartículas, todo el proceso se produce por sí solo. Aunque el usuario no necesita controlar o dirigir activamente el resultado, esto se puede hacer fácilmente para adaptar las máquinas a diversas aplicaciones”.


Creando materia óptica


En estos materiales ópticas, un campo de luz láser crea interacciones entre nanopartículas metálicas que son mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz. Estas interacciones hacen que las partículas se autoensamblen en matrices ordenadas. Este es un principio similar al de las pinzas ópticas, en el que la luz se utiliza para retener y manipular partículas, moléculas biológicas y células.



Los investigadores crearon una máquina de materia óptica que funciona de manera muy similar a una máquina mecánica en la que si se gira un engranaje, un engranaje entrelazado más pequeño girará en la dirección opuesta (a). La máquina de materia óptica (b) utiliza luz polarizada circularmente para crear una matriz de nanopartículas que actúa como el engranaje más grande al girar en el campo óptico. Esto hace que una partícula sonda, análoga al segundo engranaje más pequeño, orbite la matriz de nanopartículas en la dirección opuesta. Crédito: Norbert F. Scherer, Universidad de Chicago

En trabajos anteriores, los investigadores descubrieron que cuando la materia óptica se expone a luz polarizada circularmente, gira como un cuerpo rígido en la dirección opuesta a la rotación de polarización. En otras palabras, cuando la luz incidente gira en una dirección, la matriz de materia óptica responde girando en la otra. Esta es una manifestación de "torque negativo". Los investigadores especularon que se podría desarrollar una máquina basada en este nuevo fenómeno.


En el nuevo trabajo, los investigadores crearon una máquina de materia óptica que funciona de manera muy similar a una máquina mecánica basada en engranajes entrelazados. En tales máquinas, cuando se gira un engranaje, un engranaje de enclavamiento más pequeño girará en la dirección opuesta. La máquina de materia óptica utiliza luz polarizada circularmente de un láser para crear una matriz de nanopartículas que actúa como el engranaje más grande al girar en el campo óptico. Este “engranaje de materia óptica” convierte la luz polarizada circularmente en un momento orbital o angular que influye en una partícula sonda cercana para orbitar la matriz de nanopartículas (el engranaje) en la dirección opuesta.


Determinando la eficiencia


Los investigadores crearon dos máquinas basadas en este diseño utilizando luz láser con una longitud de onda de 600 nanómetros y nanopartículas de plata de solo 150 nanómetros de diámetro en agua. Descubrieron que el uso de un engranaje hecho de ocho nanopartículas creaba una máquina más eficiente que un engranaje de siete nanopartículas, lo que sugiere que la eficiencia de la máquina podría alterarse construyendo diferentes engranajes.


“Creemos que lo que demostramos, con mayor refinamiento, será útil en nanofluidos y clasificación de partículas”, dijo John Parker, estudiante de posgrado y primer autor. “Nuestras simulaciones muestran que una máquina mucho más grande hecha de muchas más partículas debería poder ejercer más potencia en la sonda, por lo que ese es un aspecto de refinamiento que anticipamos seguir”.


Los investigadores ahora están experimentando con la fabricación de máquinas con muchas más partículas o con partículas de diferentes materiales. La practicidad de la máquina también podría mejorarse creando engranajes estampados donde las nanopartículas son inmóviles. Esto permitiría la capacidad de direccionar ópticamente y combinar varios engranajes para hacer una máquina más compleja.




 

Mas información: John Parker, et. al. An Optical Matter Machine: Angular Momentum Conversion by Collective Modes in Optically Bound Nanoparticle Arrays. Optica (2020). DOI: 10.1364/OPTICA.396147

 

Fuente original: The Optical Society

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