Эффективный нанодвигатель может использовать свет в качестве «топлива»
 Схематичное изображение нанодвигателя ("световой мельницы"), использующего в качестве источника энергии налетающие фотоны. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Достаточно давно было установлено, что свет может использоваться для манипулирования нанообъектами. Это возможно благодаря тому, что фотоны, перемещающиеся в пространстве, имеют не только линейный, но и угловой импульс. Передача линейного импульса к объекту приводит к возникновению оптической силы, которая может использоваться для создания так называемого «оптического пинцета». Что касается углового импульса, то его передача в результате рассеяния или поглощения света может порождать механический вращающий момент тела. Если бы ученые могли научиться производить большие по величине оптические вращающие моменты в наномасштабе, этот эффект позволил бы решить проблему наномеханических преобразований энергии. Однако, главное препятствие, встречающееся на этом пути, состоит в том, что подобные взаимодействия являются слишком слабыми из-за малой величины диэлектрической проницаемости среды веществ, применяемых в подобных экспериментах. При таких параметрах вещества, требуются объекты с размерами до миллиметра, чтобы сформировать нужный вращающий момент.
Однако, в последние годы ученые обнаружили, что могут увеличивать взаимодействие между светом и веществом, используя совместно колеблющиеся на поверхности металлов свободные электроны – поверхностные плазмоны. Световые поля усиливаются, только когда частота налетающих фотонов находится в резонансе с колебаниями поверхностных плазмонов. На этом принципе и работает предложенный учеными из Lawrence Berkeley Labs and the University of California нанодвигатель. Меняя частоту падающего света, ученые получили возможность варьировать скорость и направление вращения созданного нанодвигателя. Например, когда двигатель освещен световым потоком мощностью 1 мВт с длиной волны 810 нм, диск вращается против часовой стрелки с частотой 0,3 Гц. Когда аналогичный поток имеет длину волны 1700 нм, диск вращается с той же самой скоростью, но по часовой стрелке.
Очевидно, что вращающий момент зависит исключительно от плазмонной структуры нанодвигателя (тщательно разработанной учеными из США). Таким образом, двигатель для работы не требует определенного углового момента у налетающих фотонов. Это является преимуществом предложенного двигателя по сравнению с предыдущими реализациями, где требовалось формировать поток света определенной поляризации. К слову, имея размеры порядка 100 нм, предложенный наномотор с виду представляет собой небольшой «ветряк». Это побудило исследователей в шутку назвать его «световой мельницей».
Подобный двигатель может быть идеальным решением для создания наномеханических систем, а также для манипулирования отдельными нанообъектами. Детальное описание своих исследований ученые опубликовали в журнале Nature Nanotechnology.
Также по теме:
Источники: