Licht (en alleen licht) drijft microscopische metavehikels aan (video)

Licht heeft de inherente kracht om microscopisch kleine objecten te verplaatsen – een eigenschap die eerder werd gebruikt om het Nobelprijswinnende onderzoeksidee van ‘optische pincetten’ te ontwikkelen, die een zeer gerichte laserstraal gebruiken om kleine deeltjes met ongelooflijke precisie te besturen en te manoeuvreren.

Nu heeft een onderzoeksgroep van de Chalmers University of Technology en de University of Gotenburg aangetoond hoe zelfs een ongericht licht kan worden gebruikt om microscopisch kleine deeltjes op een gecontroleerde manier te manoeuvreren. Hun onderzoek is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Nature Nanotechnology.​

 De onderzoekers maakten voertuigen op een schaal van 10 micrometer breed en 1 micrometer dik. De voertuigen bestonden uit een klein deeltje, bedekt met een meta-oppervlak: een ultradun samenstelsel van zorgvuldig ontworpen en geordende nanodeeltjes, afgestemd op het sturen van licht op interessante en ongebruikelijke manieren.

Metasurfaces bieden mogelijkheden voor gebruik in geavanceerde componenten voor optische toepassingen zoals camera’s, microscopen en elektronische displays. Meestal worden ze beschouwd als stationaire objecten, waarbij het gebruik ervan wordt gezien als het vermogen om licht te beheersen en te beïnvloeden. Maar hier bekeken de onderzoekers het andersom en onderzochten ze hoe de krachten die het gevolg zijn van de verandering in momentum van het licht kunnen worden gebruikt om het meta-oppervlak te beheersen.

Als twee biljartballen die botsen

De onderzoekers noemden hun microscopisch kleine voertuigen ‘metavehikels’, plaatsten ze op de bodem van een waterschaal en gebruikten vervolgens een losjes gefocuste laser om een ​​vlakke lichtgolf op hen te richten. Door een puur mechanisch proces – de warmte die door het licht wordt gegenereerd, speelt geen rol bij het effect – konden de voertuigen vervolgens in verschillende patronen worden verplaatst. Door de intensiteit en polarisatie van het licht aan te passen, slaagden de onderzoekers erin de beweging en snelheid van de voertuigen met een hoge mate van precisie te regelen, ze in verschillende richtingen en complexe patronen te maken, zoals achtjes.
 

"Volgens de derde wet van Newton is er voor elke actie een gelijke en tegengestelde reactie – dit betekent dat wanneer het licht het meta-oppervlak raakt en in een nieuwe richting wordt afgebogen, het meta-oppervlak ook in de andere richting wordt weggeduwd Stel je voor dat je biljart speelt, waarbij twee ballen elkaar raken en in verschillende richtingen terugkaatsen. In dit geval zijn de fotonen en het meta-oppervlak als die twee poolballen", zegt projectleider Mikael Käll. 

Andere kleine voorwerpen vervoeren

"De metavehikels waren stabiel en hun navigatie was zeer voorspelbaar en controleerbaar. Met geavanceerde geautomatiseerde feedbacksystemen en meer geavanceerde controle van de intensiteit en polarisatie van het bronlicht, zou een nog complexere navigatie mogelijk zijn", zegt hoofdauteur Daniel Andrén.

De onderzoekers experimenteerden ook met het gebruik van de metavehikels als transporteurs, om kleine deeltjes rond de tank te duwen. De metavehikels bleken in staat om objecten, waaronder een microscopisch kleine polystyreenkraal en een gistdeeltje, met gemak door het water te transporteren. Ze slaagden er zelfs in een stofdeeltje te duwen dat 15 keer zo groot was als de metamotor zelf.