Ny ljusdriven motor ryms i ett hårstrå

Kugghjul finns överallt – från klockor och bilar till robotar och vindkraftverk. I mer än 30 år har forskare försökt skapa ännu mindre kugghjul för att kunna konstruera mikromotorer. Men det har tagit stopp vid 0,1 millimeter, mindre gick det inte att bygga de drivlinor som behövdes för att få dem att röra sig.

Forskare från bland annat Göteborgs universitet, har nu brutit igenom den barriären genom att skippa traditionella mekaniska drivlinor och i stället använda sig av laserljus som sätter kugghjulen i rörelse direkt.

Kugghjul som drivs av ljus

I sin nya studie visar forskarna att mikroskopiska maskiner kan drivas av optiska metaytor – små, mönstrade strukturer som kan fånga och styra ljus i nanoskala. Med traditionell litografi tillverkas kugghjul med en optisk metayta av kisel direkt på ett mikrochip, kugghjulet har en diameter på några tiotals mikrometer. Genom att lysa på metaytan med laser kan forskarna få kugghjulet att snurra. Intensiteten i laserljuset styr hastigheten och det går också att byta riktning på kugghjulets rörelse genom att ändra polarisationen på lasern.

Forskarna är därmed nära att skapa mikromotorer.

Nytt sätt att tänka

– Vi har byggt ett kugghjulstråg där ett ljusdrivet kugghjul sätter hela kedjan i rörelse. Kugghjulen kan också omvandla rotation till en linjär rörelse, utföra periodiska rörelser och styra mikroskopiska speglar för att avleda ljus, säger studiens försteförfattare Gan Wang, forskare i mjuk materia vid Göteborgs universitet.

Möjligheten att integrera sådana maskiner direkt på ett chip och driva dem med ljus öppnar helt nya möjligheter. Eftersom laserljuset inte kräver någon fast kontakt med maskinen och är lätt att kontrollera kan mikromotorn skalas upp till komplexa mikrosystem.

– Detta är ett fundamentalt nytt sätt att tänka på mekanik i mikroskala. Genom att ersätta skrymmande kopplingar med ljus kan vi äntligen övervinna storleksbarriären, säger Gan Wang.

Cellstorlek

Med dessa framsteg börjar forskarna att föreställa sig mikro- och nanomaskiner som kan styra ljus, manipulera små partiklar eller integreras i framtida lab-on-a-chip-system. Ett kugghjul kan vara så litet som 16–20 mikrometer och det finns mänskliga celler i den storleken. Medicin är ett fält som ligger inom räckhåll, tror Gan Wang.

– Vi kan använda de nya mikromotorerna som pumpar inne i människokroppen, för att till exempel reglera olika flöden. Jag tittar även på hur de fungerar som ventiler som öppnar och stänger sig.

Vetenskaplig artikel i Nature Communications: Microscopic geared metamachines

Kontaktinfo: Gan Wang, forskare i mjuk materia på Institutionen för fysik vid Göteborgs universitet, e-post: gan.wang@gu.se

Presskontakt: Telefon 076-618 69 70, e-post: press@science.gu.se