Os pesquisadores desenvolveram uma nova máquina minúscula que converte luz laser em trabalho. Essas máquinas opticamente acionadas se auto-montam e podem ser usadas para manipulação em nanoescala de cargas minúsculas para aplicações como nanofluídica e classificação de partículas.

"Nosso trabalho aborda um objetivo de longa data na comunidade da nanociência de criar máquinas em nanoescala de automontagem que possam realizar trabalhos em ambientes convencionais, como líquidos à temperatura ambiente, "disse o líder da equipe de pesquisa Norbert F. Scherer, da Universidade de Chicago.

Scherer e colegas descrevem as novas nanomáquinas em Optica . As máquinas são baseadas em um tipo de matéria conhecida como matéria óptica, na qual nanopartículas de metal são mantidas juntas pela luz, em vez das ligações químicas que unem os átomos que constituem a matéria típica.

"Tanto a energia para montar a máquina quanto para fazê-la funcionar vêm da luz, "disse Scherer." Uma vez que a luz laser é introduzida em uma solução contendo nanopartículas, todo o processo ocorre por conta própria. Embora o usuário não precise controlar ativamente ou direcionar o resultado, isso poderia ser feito prontamente para adaptar as máquinas para várias aplicações. "

Criando matéria ótica

Em matéria ótica, um campo de luz laser cria interações entre nanopartículas de metal que são muito menores do que o comprimento de onda da luz. Essas interações fazem com que as partículas se montem automaticamente em matrizes ordenadas. Este é um princípio semelhante ao trapping óptico, em que a luz é usada para segurar e manipular partículas, moléculas e células biológicas.

Em trabalhos anteriores, os pesquisadores descobriram que quando a matéria óptica é exposta à luz polarizada circularmente, ele gira como um corpo rígido na direção oposta à rotação de polarização. Em outras palavras, quando a luz incidente gira para um lado, a matriz de matéria óptica responde girando para o outro. Esta é uma manifestação de "torque negativo". Os pesquisadores especularam que uma máquina poderia ser desenvolvida com base neste novo fenômeno.

No novo trabalho, os pesquisadores criaram uma máquina de matéria ótica que funciona como uma máquina mecânica baseada em engrenagens interligadas. Em tais máquinas, quando uma marcha é girada, uma engrenagem de intertravamento menor girará na direção oposta. A máquina de matéria óptica usa luz polarizada circularmente de um laser para criar uma matriz de nanopartículas que atua como uma engrenagem maior girando no campo óptico. Esta "engrenagem de matéria óptica" converte a luz polarizada circularmente em orbital, ou angular, momentum que influencia uma partícula de sonda próxima a orbitar a matriz de nanopartículas (a engrenagem) na direção oposta.

Determinando a eficiência

Os pesquisadores fizeram duas máquinas com base neste projeto usando luz laser com comprimento de onda de 600 nanômetros e nanopartículas de fita de apenas 150 nanômetros de diâmetro na água. Eles descobriram que usar uma engrenagem feita de oito nanopartículas criou uma máquina mais eficiente do que uma engrenagem de sete nanopartículas, sugerindo que a eficiência da máquina poderia ser alterada pela construção de engrenagens diferentes.

"Acreditamos que o que demonstramos, com mais refinamento, será útil em nanofluídica e classificação de partículas, "disse John Parker, aluno de pós-graduação e primeiro autor. "Nossas simulações mostram que uma máquina muito maior feita de muito mais partículas deve ser capaz de exercer mais potência para a sonda, portanto, esse é um aspecto de refinamento que prevemos perseguir. "

Os pesquisadores agora estão fazendo experiências com a fabricação de máquinas com muito mais partículas ou com partículas de diferentes materiais. A praticidade da máquina também poderia ser melhorada com a criação de engrenagens padronizadas onde as nanopartículas são imóveis. Isso permitiria a capacidade de endereçar e combinar opticamente várias engrenagens para fazer uma máquina mais complexa.