Los investigadores demuestran la luz.

30 de noviembre de 2022

por SPIE

El movimiento está en todas partes de los sistemas vivos y es necesario para las funciones mecánicas de los sistemas artificiales, como los robots y las máquinas. Las estructuras mecánicas funcionales que pueden cambiar de volumen y forma en respuesta a estímulos externos (como la luz, el calor, la electricidad, la humedad y la química) tienen una amplia gama de perspectivas de aplicación en el campo de la biomecánica y los robots biónicos. Han atraído un inmenso interés de investigación, particularmente a micro y nanoescala.

Muchas propuestas de actuadores dependen de la luz como fuente de energía. La fuerza óptica se utiliza comúnmente para manipular microobjetos, debido a sus ventajas únicas de precisión, inmediatez y capacidad de miniaturización. El principio fundamental involucrado en la manipulación óptica es que los fotones llevan un impulso que puede transferirse a los objetos durante los procesos de dispersión y absorción y, en consecuencia, permiten su movimiento. Pero la fuerza óptica producida por la transferencia de impulso está a un nivel de piconewton, que es mucho menor que la fuerza adhesiva en una interfaz sólida, lo que dificulta el trabajo en entornos no líquidos.

Las ondas elásticas inducidas por la luz presentan una solución. Inducidos por el aumento de temperatura a través de la absorción óptica en los microobjetos, transmiten suficiente desplazamiento mecánico para permitir que los microobjetos se arrastren sobre interfaces sólidas. La idea se ha ejemplificado con éxito con microplacas de oro en sistemas basados ​​en microfibras. Estos resultados pioneros alientan nuevas perspectivas para los micromotores impulsados ​​por luz en interfaces sólidas, pero aún quedan preguntas por explorar. Por ejemplo, el principio de actuación es teóricamente aplicable a cualquier microobjeto que pueda generar ondas elásticas al absorber luz, pero aún no se ha extendido a otros materiales elásticos absorbentes. Además, quedan por abordar posibles problemas asociados con los efectos térmicos (como el daño térmico y el derretimiento).

Como se informó en Advanced Photonics Nexus, investigadores del Instituto de Estudios Avanzados de Hangzhou, la Universidad de la Academia de Ciencias de China y la Universidad de Westlake abordaron estos temas pendientes estudiando el movimiento de placas de telururo de antimonio aislantes topológicos bidimensionales sobre microfibras a las que se aplican pulsos láser. entregado.

El telururo de antimonio, Sb2Te3, es un material cuántico único que alberga estados de superficie límite topológicamente protegidos que conducen a varias propiedades eléctricas y ópticas fascinantes, como el bloqueo del momento de espín de los electrones y las excitaciones de plasmones de banda ultraancha. Los investigadores aprovecharon estas propiedades para absorber la luz de manera eficiente y generar ondas elásticas. Dado que el Sb2Te3 tiene una conductividad térmica bastante baja (~1 W/m/K, cercana a la del vidrio y dos órdenes de magnitud más pequeña que la del oro), también puede mitigar la difusión de calor e intensificar los efectos térmicos.

Experimentalmente, el equipo implementó un sistema de actuación basado en microfibras en una cámara de microscopio electrónico de barrido (SEM), donde la actuación inducida por la luz se puede caracterizar con precisión. Sus observaciones exitosas del movimiento espiral continuo de placas Sb2Te3 complementan resultados anteriores con placas de oro, aportando nueva evidencia para respaldar el principio de actuación basado en ondas elásticas inducidas por luz.

El equipo investigó los efectos térmicos sobre la actuación de su sistema aumentando intencionadamente la potencia del láser. Observaron un nuevo tipo de movimiento similar al líquido que muestra características completamente diferentes del movimiento espiral basado en ondas elásticas. Señalan que este fenómeno es causado por la formación de microprotuberancias inducidas por el efecto Marangoni, que es un efecto térmico común. La deformación asimétrica del estado líquido inducido térmicamente proporciona la fuerza motriz.

Se pueden imaginar inmediatamente muchas aplicaciones únicas con un actuador activado por luz en un entorno no líquido. Por ejemplo, la modulación/conmutación fotónica móvil mediante la entrega de microobjetos a posiciones específicas para controlar el flujo de luz se puede lograr integrando esta técnica en una red de guías de ondas en un chip. Además, se pueden realizar microrobots multimodo que funcionan en un sistema de vacío diseñando cuidadosamente la luz de conducción y la geometría del actuador.

Más información: Weiwei Tang et al, Micromotores de vacío inducidos por luz basados ​​en una microplaca de telururo de antimonio, Advanced Photonics Nexus (2022). DOI: 10.1117/1.APN.1.2.026005

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