Mikrofarkoster som styrs med ljusets kraft

Ljus har en inneboende kraft som kan förflytta mikroskopiska föremål. Den upptäckten ligger till grund för den nobelprisvinnande optiska pincetten, där forskare kunde visa hur en fokuserad laserstråle kan fånga in och hålla fast partiklar med stor precision.

Nu har en forskargrupp vid Chalmers tekniska högskola och Göteborgs universitet visat att kraften i ofokuserat ljus, en så kallad planvåg, kan användas för att styra en mikropartikel i en kontrollerad bana. Forskningen presenterades nyligen i en vetenskaplig artikel i tidskriften Nature Nanotechnology.

En tusendedels millimeter tjocka

De små farkosterna som forskarna har tillverkat är tio mikrometer breda och en mikrometer tjocka, alltså bara en tusendels millimeter. De minimala partiklarna har belagts med ett konstgjort material – en så kallad metayta.

Se filmen om metafarkosterna

Som två biljardbollar som krockar med varandra

Forskarna placerade de mikroskopiska partiklarna – metafarkosterna – i botten av en vattenfylld behållare och belyste dem med laserljus. Genom en rent mekanisk process, som sker oberoende av den värme som ljuset alstrar, kunde forskarna med stor precision kontrollera metafarkosternas rörelse och fart och till och med styra dem åt olika håll och i olika formationer genom att variera laserljusets polarisation.

– Enligt Newtons tredje lag finns det en likvärdig och motsatt reaktion till varje händelse. I det här fallet innebär det att när ljuset når metaytan viker det av i en ny riktning, och reaktionskraften gör så att den mikroskopiska farkosten far iväg åt motsatt håll. Det är som när du spelar biljard och två bollar slår emot varandra och åker iväg åt olika håll. Man kan likna metaytan och ljuset, fotonerna, vid två biljardbollar som krockar med varandra, säger Mikael Käll, professor vid institutionen för fysik på Chalmers tekniska högskola och ansvarig för forskningsprojektet.

Kan putta andra partiklar framför sig

– Metafarkosterna är stabila, och vi kan navigera dem på ett förutsägbart och kontrollerbart sätt. Med avancerade automatiska återkopplingssystem och mer sofistikerad kontroll av intensiteten och polariseringen av ljuskällan skulle ännu mer komplex navigering kunna vara möjlig, säger Daniel Andrén, tidigare doktorand vid institutionen för fysik och förstaförfattare till artikeln.

Forskarna kunde även använda metafarkosterna som transportörer genom att få dem att putta små partiklar framför sig i vattenbehållaren. De kunde med lätthet flytta bland annat mikroskopiska plastpartiklar och jästceller. Metafarkosten klarade till och med av att förflytta ett dammkorn 15 gånger större än den själv.

– I utforskandet av optiska krafter finns det många intressanta effekter som ännu inte är helt välförstådda. Det är inte tillämpningar som driver den här typen av forskning, utan att utforska olika möjligheter. I ett antal olika led framåt vet man aldrig vad som händer. Men att vi visar att man kan använda partiklarna för att flytta på andra saker, indikerar en möjlig tillämpning av dem som transportörer för andra objekt, exempelvis i cellösningar, säger Mikael Käll.

Vetenskaplig artikel:

Microscopic Metavehicles Powered and Steered by Embedded Optical Metasurfaces, (Daniel Andrén, Denis G. Baranov, Steven Jones, Giovanni Volpe, Ruggero Verre och Mikael Käll), Nature Nanotechnology.

Kontakt:

Daniel Andrén, tidigare doktorand vid institutionen för fysik på Chalmers tekniska högskola, daniel.andren@chalmers.se
Mikael Käll, professor vid institutionen för fysik på Chalmers tekniska högskola, mikael.kall@chalmers.se

Fotnot:

Projektet är finansierat av Excellence Initiative Nano vid Chalmers tekniska högskola, Vetenskapsrådet och Knut och Alice Wallenbergs stiftelse. De mikroskopiska metafarkosterna är tillverkade på Myfab Chalmers.