Зубчатые колеса, или шестерни, – неотъемлемая часть множества устройств: от наручных часов и детских игрушек до автомобилей и гидроэлектростанций. Они нужны, чтобы эффективно передавать крутящий момент между компонентами механизмов.
Миниатюризация и ее трудности
Исследователи постоянно стремятся сделать шестерни всё меньше, ведь это открывает путь к созданию крошечных моторов. Долгое время предел миниатюризации оставался на уровне 0,1 миллиметра – создавать работающие приводы для элементов меньшего размера было невероятно сложно.
Лазер вместо механики
Международная группа ученых совершила революционный шаг, предложив полностью отказаться от традиционных механических приводов. Решение? Использовать энергию лазерного луча, чтобы заставить шестерни вращаться! Для этого на поверхности зубчатого колеса была создана специальная крошечная структура.
Магия метаструктур
Метаматериалы часто представляют собой поверхности с нанесенным упорядоченным узором. Эти уникальные структуры способны с невероятной точностью захватывать и управлять светом на наноуровне. Благодаря точно рассчитанным резонансным характеристикам, они открывают путь к созданию невидимости и другим впечатляющим оптическим эффектам.
В своей работе ученые изготовили микрошестеренки прямо на чипе, используя метод литографии. Размер каждой детали — всего десятки микрометров. Чтобы придать им уникальные свойства светоуправляемости, на поверхность части шестерен создали метаструктуры.
Прецизионное световое управление
Направляя луч лазера на такую шестерню, исследователи добились ее вращения. Важно, что интенсивность света меняла скорость этого вращения, а его поляризация – направление! Это позволило заменить громоздкое механическое сцепление чистым светом.
«Мы построили зубчатую передачу, где шестерня, вращаемая светом, задает ход всей системе! Помимо этого, такие шестерни могут преобразовывать вращение в линейное перемещение, выполнять точные периодические операции и контролировать микрозеркала для манипулирования светом», — с успехом прокомментировал первый автор работы Гань Ван.
Новые горизонты микромеханики
Эта разработка открывает совершенно новые перспективы благодаря возможности встраивать такие динамичные детали прямо в микросхемы и управлять ими дистанционно с помощью света. Использование лазера освобождает от необходимости жесткого контакта и позволяет масштабировать технологии до сложнейших микросистем.
Поскольку размеры этих светоуправляемых шестерен сопоставимы с величиной человеческих клеток, их применение в медицине выглядит особенно перспективным направлением для динамичного развития наноробототехники и диагностики.
Источник: naked-science.ru
