Поверхность кремниевой шестеренки была покрыта метаструктурой, что обеспечило возможность управления ее вращением посредством лазерного излучения.
Зубчатые колеса, или шестерни, находят применение во множестве устройств – от часов и автомобилей до гидроэлектростанций и детских игрушек. Они используются для передачи крутящего момента между элементами различных механизмов.
Стремление к миниатюризации шестерней для создания микромоторов является постоянной задачей для исследователей и инженеров. Дальнейшее уменьшение размеров затруднено, так как создание приводных механизмов, сопоставимых по размеру с шестернями менее 0,1 миллиметра, представляется невозможным.
Международная группа ученых нашла решение этой проблемы, отказавшись от привычных механических приводов. Им удалось разработать способ использования лазера для вращения шестерен. Для реализации этой идеи потребовалось создание метаструктуры на поверхности зубчатого колеса. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Оптические метаматериалы обычно представляют собой поверхности с регулярно расположенными созданными структурами. Эти поверхности способны улавливать и управлять светом в наномасштабе. Благодаря тщательно подобранным резонансам в метаструктуре, ученые могут точно регулировать оптические процессы. С использованием метаструктур разрабатываются «плащи-невидимки» для различных диапазонов излучения.
В новой работе ученые изготовили шестеренки на чипе с помощью литографии. Диаметр каждой детали — десятки микрометров. На поверхности некоторых они также сформировали метаструктуры.
Используя лазерный луч, ученым удалось заставить зубчатое колесо вращаться. Мощность лазерного излучения регулировала скорость вращения, а поляризация — направление вращения. Ученые заменили громоздкие механические соединения светом.
«Разработанная нами зубчатая передача использует светом управляемую шестерню для приведения в действие всей системы. Шестерни способны трансформировать вращательное движение в линейное, создавать повторяющиеся движения и контролировать микроскопические зеркала для изменения направления светового потока», – отметил первый автор исследования Гань Ван ( Gan Wang).
По мнению исследователей, интеграция подобных элементов непосредственно в кристалл и управление ими посредством светового излучения предоставила принципиально новые возможности. Применение лазера не требует фиксированного контакта с механизмом и позволяет масштабировать идею до сложных движущихся микросистем.
Размер шестерни приблизительно равен размеру некоторых человеческих клеток, что открывает возможности для использования этой разработки в медицине.