Наноразмерный плазмонный двигатель
Наноразмерный плазмонный двигатель (иногда называемый « легкой мельницей »). [ 1 ] ) — это тип наномотора , преобразующего энергию света во вращательное движение на наноуровне . Он состоит из кусочков листового золота в форме гаммадиона , заключенных в слои кремнезема . Под воздействием лазерного излучения золотые монеты вращаются. Функционирование объясняется квантовой концепцией плазмона . Этот тип наномотора намного меньше других типов, и его работой можно управлять, изменяя частоту падающего света.
Рабочая демонстрационная модель была создана исследователями из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Калифорнийского университета в Беркли . Вероятные дальнейшие разработки включают повышение прочности и гибкости, а также поиск более дешевых материалов. Предполагаемые применения включают раскручивание ДНК живых клеток и эффективное использование солнечной энергии .
Введение
[ редактировать ]Возросший спрос на микро- и нанотехнологии вызвал огромный интерес и возможности для разработки различных продуктов на основе микро- ( MEMS ) и нано-( NEMS ) механических систем. Одной из особенностей этой технологии является ее уникальная способность имитировать различные явления природы. Например, биомедицинской инженерии удалось заменить и улучшить функцию поврежденных или больных органов. [ 3 ] путем создания искусственных с использованием наномасштабного подхода. Наука, лежащая в основе нанотехнологий, помогает им разрабатывать устройства, используемые для трансплантации в медицине, предполагая, что нужно понять, как работают наноустройства, исследуя живые клетки и принципы их работы. Это, безусловно, могло бы вдохновить на идеи создания мощных устройств. Механизм саморегенерации энергии микроорганизмами привлек внимание к пониманию того, как энергия может быть получена из наноматериалов .
Как показано в работах различных исследователей, нанотехнологии обладают огромной способностью приводить в действие и улучшать некоторые естественные биологические устройства, заменяя эти объекты и имитируя естественные процессы внутри живого существа. Основная задача такого подхода — предоставить альтернативный источник с более высокими возможностями в контролируемой среде. Одним из прорывных открытий среди них является наномотор , крошечное устройство, способное преобразовывать различные формы энергии в движение, используя методы, наблюдаемые в природе. Открытие в этой области объясняет совместное использование свойств волн и частиц для работы наномотора. Это приводит к наблюдению за так называемым плазмонным наномотором, использующим свойства плазмона для работы наномотора. [ 4 ] Исследователи из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли Министерства энергетики США (DOE) и Калифорнийского университета (UC) в Беркли создали первый наноразмерный двигатель для легкой мельницы, скорость и направление вращения которого можно контролировать путем настройки частоты падающего напряжения. легкие волны.
Фон
[ редактировать ]Наномоторы подразделяются на биологические , гибридные и небиологические. Биологические наномоторы — это, как правило, микроскопические двигатели, созданные природой, подобные бактериальным жгутикам , которые могут приходить в движение с помощью АТФ-синтазы , вырабатываемой внутри клетки. Этот двигатель позволяет бактериям двигаться независимо. Искусственный аналог называется небиологическим наномотором и имитирует функцию природного или биологического наномотора, позволяя устройствам работать. Однако эти искусственные наноустройства менее эффективны по сравнению с биологическими аналогами. Они требуют определенной функционализации для ускорения движения или улучшения функций искусственного наномотора. Например, внедрение углеродной нанотрубки в платиновый компонент асимметричной металлической нанопроволоки приводит к ее резко ускоренному движению в растворе перекиси водорода . Гибридный магнитный наномотор использует химический принцип, который регулярно наблюдается в биологическом наномоторе, а также другие принципы, такие как . взаимодействия для выполнения своих функций. [ 5 ]
Движение наномотора может быть результатом оптических, электрических, магнитных или химических взаимодействий. Эти принципы применяются в зависимости от масштаба материалов, с которыми мы имеем дело. Одним из прорывных отчетов о наномоторах является возможность использовать энергию квантового поведения фотонов для создания движения в устройствах, где авторы смогли вызывать и контролировать вращение, скорость и направления наноразмерного золота (двигателя) внутри кварцевого микродиска. [ 6 ] В этом соответствующем отчете указывалось, что скорость, направление и вращение сильно зависели от природы света (длины волны), падающего на двигатель.
Принцип работы
[ редактировать ]В основном фотоны обладают как линейным, так и угловым моментом . Эти свойства связаны с различными явлениями, такими как индукция механического крутящего момента, [ 7 ] оптический захват [ 8 ] и охлаждение [ 6 ] как в макромасштабных, так и в наномасштабных наблюдениях.
Плазмонный режим — это резонансный режим, который включает взаимодействие свободных зарядов и света. В металлической наноструктуре, когда приложенное электрическое поле резонирует с ее плазмонами, взаимодействие между светом и материей может быть значительно усилено. Свободные электроны в металлах могут приводиться в движение за счет взаимодействия этих плазмонных волн металлов и электрического поля, создаваемого падающим светом. Это явление также изменяет свет, воздействуя на его электрическое и магнитное поле. Весь процесс вызывает оптический крутящий момент, который может привести в движение металлические наноструктуры. [ 2 ]
Экспериментальная конфигурация
[ редактировать ]Основываясь на плазмонной концепции, Лю и его коллеги [ 2 ] продемонстрировали плазмонный двигатель на наноуровне. Наноструктуры в форме гаммадиона состояли из золота (размером ~ 190x190 нм), которое было симметрично зажато между двумя слоями диоксида кремния . Вся система была изготовлена с использованием стандартной электронно-лучевой литографии . Когда система освещается линейно поляризованным светом , она создает крутящий момент , который приводит в движение эти крошечные наноструктуры, называемые «плазмонными наномоторами». Приложенный крутящий момент возникает исключительно из-за симметрии структуры гаммадиона и взаимодействия с падающим светом. Кажется, что эти наномоторы меняют направление своего движения (по часовой стрелке и против часовой стрелки) в зависимости от длины волны (длиннее и короче) падающего лазерного луча.
Приложения
[ редактировать ]Благодаря своему размеру и приводной энергии наноразмерный плазмонный двигатель может обеспечивать вращательную силу наномасштаба, которая будет широко использоваться в преобразовании энергии и биологии.
В биологии
[ редактировать ]Структурная динамика клеточных процессов, таких как репликация и транскрипция, может определять механические свойства ДНК . влияние крутящего момента следует учитывать Однако при измерении механики ДНК . При низком напряжении ДНК ведет себя как изотропный гибкий стержень; тогда как при более высоких напряжениях поведение пере- и недомотанных молекул различается. Когда используется наноразмерный плазмонный двигатель, скручивающее напряжение в молекуле будет накапливаться , удерживая шарик ротора неподвижным с помощью потока жидкости. Наблюдая за углом скручивания ДНК, можно было получить упругие свойства ДНК. [ 9 ] [ 10 ]
Недавно разработанный наноразмерный двигатель с легким приводом может устранить ограничения более ранних легких заводов. Он генерирует сравнимый крутящий момент, который был сделан из золота и имел гораздо меньшие размеры. При размере 100 нанометров (одна десятая размера других двигателей) это сделает возможными такие приложения, как раскручивание ДНК в живых клетках. [ 11 ] Пока система находится под контролируемым наматыванием и раскручиванием ДНК, небольшой мотор можно освещать разными длинами волн для in vivo манипуляций .
В преобразовании энергии
[ редактировать ]Микроэлектромеханическая система отличается от традиционной электромеханической системы. Что касается наноразмерного плазмонного двигателя, он может собирать световую энергию посредством вращающихся объектов микроскопического масштаба. [ 12 ] Кроме того, наноразмерный плазмонный двигатель может последовательно связывать механизмы трансдукции (например, преобразовывать тепловой сигнал сначала в механический сигнал, затем в оптический сигнал и, наконец, в электрический сигнал). [ 13 ]
Таким образом, эти двигатели могут применяться для сбора солнечного света в наноскопических системах путем разработки нескольких двигателей, работающих на разных резонансных частотах и в одном направлении. [ 12 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] И такие структуры с несколькими двигателями можно использовать для получения крутящего момента в широком диапазоне длин волн, а не на одной частоте.
Ограничения
[ редактировать ]В прошлом наночастицы вращались, используя собственное движение падающего света, но впервые удалось вызвать вращение наночастицы без использования собственного углового момента света. [ 1 ]
Поскольку наноразмерный плазмонный двигатель представляет собой новую технологию, возникает ряд проблем, таких как более высокие затраты на разработку, большая сложность и более длительное время разработки. [ 13 ] а методы и материалы технологии электромеханических систем нанометрового масштаба (NEMS) не всегда хорошо подходят для наномасштаба. Наноразмерный плазмонный двигатель также имеет ограничения по прочности и гибкости . [ 14 ]
Планы на будущее
[ редактировать ]В будущем ученые будут уделять больше внимания синтезу, эффективности легких мельниц. [ 1 ] Альтернативные материалы для двигателей также будут разработаны в качестве заменителей дорогих материалов, таких как золото, кремний , углеродные нанотрубки , используемых на экспериментальной стадии. Также будут улучшены прочность и гибкость наноразмерных плазмонных двигателей.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Блэнд, Эрик (11 февраля 2013 г.). «ЛАЗЕР ПРИВОДИТ КРОШЕЧНЫЕ, ЗОЛОТЫЕ «СВЕТОВЫЕ МЕЛЬНИЦЫ». Миниатюрные мельницы могут привести в действие целое новое поколение наноустройств» . Искатель .
- ^ Jump up to: а б с д Лю Мин; Зентграф Т.; Лю, Ю. (2010). «Световые наноразмерные плазмонные двигатели». Природные нанотехнологии . 5 (8): 570–573. Бибкод : 2010НатНа...5..570Л . дои : 10.1038/nnano.2010.128 . ПМИД 20601945 .
- ^ Ашутош А.; Генри Х. Журнал нанотехнологий в технике и медицине, том 1, февраль 2010 г.
- ^ Бронгерсма М.Л., Зия Р., Шуллер Дж.А., Прикладная физика A: Материаловедение и обработка, 89,221-223 (2007)
- ^ Вэй Г., Калайил М. Манеш, Джо Х., Сирилак С. и Джозеф В.; малый 2011, 7, вып. 14, 2047–2051 гг.
- ^ Jump up to: а б Киппенберг, Ти Джей; Вахала, К.Дж. (2008). «Оптомеханика полостей: обратное действие на мезомасштабе». Наука . 321 (5893): 1172–1176. Бибкод : 2008Sci...321.1172K . дои : 10.1126/science.1156032 . ПМИД 18755966 . S2CID 4620490 .
- ^ Бет, Р.А. (1936). «Механическое обнаружение и измерение углового момента света». Физический обзор . 50 (2): 115–125. Бибкод : 1936PhRv...50..115B . дои : 10.1103/physrev.50.115 .
- ^ Гриер, генеральный директор (2003). «Революция в оптических манипуляциях». Природа . 424 (6950): 810–816. Бибкод : 2003Natur.424..810G . дои : 10.1038/nature01935 . ПМИД 12917694 . S2CID 4388612 .
- ^ Брайант, Зев; и др. (17 июля 2003 г.). «Структурные переходы и эластичность». Природа . 424 (6946): 338–341. дои : 10.1038/nature01810 . ПМИД 12867987 . S2CID 4370833 .
- ^ Гор, Джефф; и др. (17 августа 2006 г.). «ДНК перекручивается при растяжении». Природа . 442 (7104): 836–839. Бибкод : 2006Natur.442..836G . дои : 10.1038/nature04974 . ПМИД 16862122 . S2CID 4423679 .
- ^ «Наноразмерный плазмонный двигатель приводит в движение диск микроразмера» . нано работа . Проверено 5 июля 2010 г.
- ^ Jump up to: а б Элкема, Риенк; и др. (9 марта 2006 г.). «Наномотор вращает микромасштабные объекты» (PDF) . Природа . 440 (7081): 163. дои : 10.1038/440163a . ПМИД 16525460 . S2CID 4384254 .
- ^ Jump up to: а б Джуди, Джек В. (26 ноября 2001 г.). «Микроэлектромеханические системы (МЭМС): изготовление, проектирование и применение». Умные материалы и конструкции . 10 (6): 1115–1134. Бибкод : 2001SMaS...10.1115J . дои : 10.1088/0964-1726/10/6/301 .
- ^ Jump up to: а б AM, Феннимор; и др. (2003). «Вращательные приводы на основе углеродных нанотрубок». Природа . 424 (6947): 408–410. Бибкод : 2003Natur.424..408F . дои : 10.1038/nature01823 . ПМИД 12879064 . S2CID 2200106 .
- ^ JW, Джуди (2001). «Микроэлектромеханические системы (МЭМС): изготовление, проектирование и применение». Умные материалы и конструкции . 10 (6): 1115–1134. Бибкод : 2001SMaS...10.1115J . дои : 10.1088/0964-1726/10/6/301 .
- ^ О., Леманн; Стьюк, М. (1995). «Лазерное перемещение трехмерных микроструктур, создаваемых методом лазерного быстрого прототипирования». Наука . 270 (5242): 1644–1646. дои : 10.1126/science.270.5242.1644 . S2CID 136435077 .