Bariera miniaturyzacji pokonana. Nowe podejście do mikroskopijnych napędów
Zespół z Uniwersytetu w Göteborgu opracował napędzany laserem silnik o rozmiarach mierzonych w mikrometrach. Urządzenie jest rzeczywiście cieńsze od ludzkiego włosa, co stanowi prawdziwy przełom po latach zastoju w tej dziedzinie. Podstawowy problem z miniaturyzacją polegał na tym, że klasyczne rozwiązania mechaniczne po prostu przestawały działać poniżej pewnych rozmiarów. Im mniejsze elementy, tym trudniej je wprawić w ruch przy użyciu konwencjonalnych metod. Szwedzi podeszli do sprawy radykalnie inaczej, rezygnując z ciężkich sprzęgieł na rzecz cząstek światła.
To jest zupełnie nowy sposób myślenia o mechanice w mikroskali. Zastępując masywne sprzęgła światłem, możemy wreszcie pokonać barierę rozmiaru – wyjaśnia Gan Wang, naukowiec z Uniwersytetu w Göteborgu
Wymiary nowych kół zębatych mieszczą się w przedziale 16-20 mikrometrów, co można porównać z rozmiarami niektórych komórek ludzkiego organizmu. Dla lepszego wyobrażenia: przeciętny ludzki włos ma około 70 mikrometrów grubości. Kluczową rolę w funkcjonowaniu wynalazku odgrywają optyczne metamateriały, czyli specjalne struktury z krzemu potrafiące manipulować światłem w nanoskali. Choć brzmi to skomplikowanie, sama zasada działania jest zaskakująco prosta.
Czytaj też: Powstała kwantowa karta debetowa. Tych pieniędzy nie da się podrobić
Do produkcji mikroskopijnych kół zębatych wykorzystano standardową litografię, tę samą technologię, która służy do wytwarzania procesorów. Różnica tkwi w specjalnie zaprojektowanej powierzchni, która reaguje na światło lasera. Gdy wiązka laserowa trafia na metamateriał, koło zębate zaczyna się obracać. Prędkość obrotów zależy od intensywności światła, a zmiana polaryzacji pozwala nawet na odwrócenie kierunku ruchu.
Zbudowaliśmy przekładnię, w której koło napędzane światłem wprawia w ruch cały łańcuch. Koła zębate mogą również zamieniać ruch obrotowy na liniowy, wykonywać ruchy okresowe oraz sterować mikroskopijnymi lustrami w celu odchylania światła – dodaje Wang
Jeden taki mikrosilnik może więc pełnić funkcję całego układu mechanicznego: napędzać inne elementy, zmieniać charakter ruchu czy kontrolować przepływ światła.
Potencjalne zastosowania? Od medycyny po komputery kwantowe
Technologia otwiera drogę do rozwiązań, które do niedawna istniały tylko w sferze science fiction. Najprostsze zastosowania dotyczą mikromaszyn do precyzyjnej kontroli światła i manipulowania pojedynczymi cząstkami. Szczególnie obiecująco wyglądają miniaturowe urządzenia analityczne zdolne do prowadzenia skomplikowanych badań na powierzchni niewiele większej od paznokcia. Mikrosilniki mogłyby tam pełnić funkcję pomp czy mieszadeł. W medycynie perspektywy są jeszcze ciekawsze. Urządzenia o rozmiarach komórek mogłyby działać wewnątrz organizmu jako miniaturowe systemy terapeutyczne.
Czytaj też: Akumulator cynkowo-powietrzny bije rekordy wytrzymałości. Dotychczasowi dominatorzy pójdą w odstawkę
Możemy wykorzystać nowe mikrosilniki jako pompy wewnątrz ludzkiego ciała, na przykład do regulowania różnych przepływów. Przyglądam się też, jak działają jako zawory, które otwierają się i zamykają – opisuje Wang
Wyobraźmy sobie mikroskopijne pompy insulinowe reagujące na poziom cukru we krwi lub zawory kontrolujące precyzyjne dawkowanie leków. Brzmi futurystycznie, lecz szwedzki zespół już pracuje nad prototypami takich rozwiązań. Technologia może znaleźć zastosowanie również w optyce kwantowej, gdzie niezwykła precyzja kontroli światła w nanoskali jest kluczowa dla rozwoju komputerów kwantowych i zaawansowanych systemów komunikacji. Ostateczne pytanie nie brzmi już “czy” takie technologie trafią do użytku, ale “kiedy” i w jakiej formie. Patrząc na tempo rozwoju nanotechnologii, odpowiedź może nadejść szybciej, niż się spodziewamy.