p A terceira lei de Newton determina que as forças entre as partículas em interação são iguais e opostas para sistemas fechados. Em um ambiente sem equilíbrio, a terceira lei pode ser desafiada, dando origem a forças "não recíprocas". Teoricamente, isso foi mostrado quando diferentes, partículas opticamente aprisionadas foram mediadas por um campo externo. Em um estudo recente, Yuval Yifat e colegas mediram as forças não recíprocas líquidas na interação eletrodinâmica, dímeros assimétricos de nanopartículas e agregados de nanopartículas. Nos experimentos, as estruturas das nanopartículas foram confinadas a geometrias pseudo-unidimensionais e iluminadas por ondas planas. O movimento observado foi devido à conservação do momento total para partículas e campos com simetria de espelho quebrada (representada por uma direção de movimento alterada). Os resultados agora são publicados em Light:Ciência e Aplicações . p A capacidade de converter energia luminosa em movimento autodirigido com nanomotores ou micro-máquinas movidos a luz já atraiu grande interesse. Uma variedade de métodos em óptica pode produzir movimento rotacional ou dar origem a movimento translacional com materiais fotorreativos. A promessa de projetar nanomotores movidos a luz surgiu de um trabalho teórico recente, que previu que partículas diferentes iluminadas por uma onda plana eletromagnética, experimentará uma rede de força não recíproca.

p As forças não recíprocas previstas foram demonstradas com simulações para variar muito pouco com a separação interpartículas. Contudo, evidências experimentais diretas sobre o fenômeno não foram apresentadas até agora. Explorar os efeitos ópticos reativos pode abrir novas possibilidades de automontagem, micromáquinas movidas a luz para anunciar um novo campo em óptica e fotônica.

p Para preencher a lacuna experimental, No presente estudo, Yifat et al. demonstrou automotilidade usando dímeros opticamente ligados de nanopartículas metálicas desproporcionais (NPs). Os resultados experimentais também foram apoiados por simulações eletrodinâmicas quantitativas. Além de dímeros, os cientistas geraram e mediram de forma semelhante o movimento de grupos ou conjuntos de nanopartículas assimétricas. Para realizar os experimentos, Yifat et al. usou uma configuração de captura óptica padrão com um laser Ti:Sapphire operando em um comprimento de onda de 790 nm. Um foco estreito, O feixe de luz polarizado circularmente e modulado em fase espacial formou uma armadilha de anel óptico.

p No estudo, o movimento de uma mistura capturada de nanopartículas de prata (Ag) com 150 nm - 200 nm de diâmetro foram medidos usando microscopia de campo escuro a uma alta taxa de quadros de 290 fps. As partículas foram rastreadas, e sua posição precisa usada para calcular a posição angular (θi) no anel. Os cientistas realizaram imagens e rastreamento de partículas usando a caixa de ferramentas de rastreamento de partículas em mosaico disponível através do software Image J.

p Yifat et al. observaram um "heterodímero" de partículas diferentes em que o movimento direcionado de pares eletrodinamicamente interagindo eram em direção à partícula maior. Por outro lado, quando duas partículas do mesmo tamanho, denominado "homodímero" veio em estreita proximidade, movimento dirigido não foi observado. Os resultados estão de acordo com as forças calculadas pela teoria generalizada de Mie (GMT). Os cientistas não observaram rotação completa ou livre no experimento - o torque manifestado e seu efeito serão investigados em trabalhos futuros.

p Depois disso, Yifat et al. fotografou as trajetórias de tempo representativas de θ _c (o ângulo central do par) para os heterodímeros e homodímeros. Nos heterodímeros, o movimento do par foi direcionado para a partícula maior e, portanto, poderia se mover no sentido horário ou anti-horário, ao redor do anel dependendo de sua orientação. Os cientistas repetiram os experimentos e combinaram os resultados. Nos dados combinados com diferentes orientações de heterodímero, a velocidade positiva foi definida como o vetor da amostra menor em direção à partícula maior.

p Por exemplo, os heterodímeros exibiram uma velocidade angular média positiva em uma separação de ligação óptica de 600 ± 150 nm e uma velocidade angular média negativa quando a separação era maior em 900 ± 150 nm. Em contraste, a velocidade angular média para um homodímero foi zero para todas as separações. A mudança na velocidade média e o movimento do par de heterodímero em direção ao maior, partícula termicamente mais quente foi devido ao campo eletromagnético e não devido à auto-termoforese induzida por calor (isto é, gradiente de temperatura local gerado devido à adsorção de laser pelas partículas revestidas de metal).

p Os resultados estão de acordo com publicações anteriores sobre a assimetria da luz espalhada por objetos opticamente aprisionados. O movimento simulado foi similarmente direcionado da partícula pequena para a partícula maior. Os cientistas observaram um desequilíbrio dependente da separação de espalhamento angular (onde mais luz foi espalhada em uma direção do que em outra). A assimetria no espalhamento de campo distante criou uma força no dímero, colocando-o em movimento conforme observado. Espalhamento assimétrico semelhante foi observado anteriormente para nanoantena plasmônica. Yifat et al. usou a mesma abordagem experimental para estudar dímeros de nanostar de ouro (Au) e grandes agregados assimétricos de nanopartículas de ouro.

p Desta maneira, os cientistas demonstraram experimentalmente o movimento impulsionado pela luz de heterodímeros e dispersores assimétricos em anéis ópticos para quantificar as forças não recíprocas em campos de onda planos unidimensionais. Embora os experimentos estivessem confinados a uma armadilha em anel neste estudo, a estratégia é transferível para qualquer estrutura de matéria opticamente aprisionada que exibe assimetria eletromagnética. O aprisionamento óptico usado no estudo ofereceu soluções para o desafio experimental de gerar movimento direcionado em nanoescala. Forças não recíprocas no estudo criaram as partículas automotivas sem o uso de ambientes químicos, combustíveis químicos ou estruturas complexas.

p A teoria eletrodinâmica e as simulações realizadas simultaneamente no estudo também mostraram que as interações interpartículas causaram espalhamento assimétrico nos heterodímeros. O trabalho, portanto, seguiu fundamentalmente o teorema de Noether (a simetria da ação de um sistema físico contém uma lei de conservação correspondente). De acordo, Yuvat et al. racionalizar que a automotilidade observada e as forças não recíprocas quantificadas seguidas da conservação do momento total de partículas e campos, para sistemas com simetria quebrada. Os cientistas prevêem o uso de tais conjuntos de nanopartículas assimétricas movidas a luz como colóides ativos com sistemas quimiotáticos artificiais, e como "nano nadadores" totalmente operacionais para pesquisas em matéria condensada mole e biofísica. p © 2018 Science X Network