Ученые разработали способ управлять вращением кремниевой шестеренки с помощью лазера, покрыв ее поверхность специальной метаструктурой.

Миниатюризация зубчатых механизмов

Зубчатые колеса и шестерни широко используются в самых разных устройствах — от часов и автомобилей до гидроэлектростанций и детских игрушек. Они необходимы для передачи крутящего момента между деталями механизмов. Инженеры и исследователи постоянно стремятся уменьшить размеры шестерен, чтобы создавать микродвигатели. Однако до сих пор минимальный размер таких деталей ограничивался примерно 0,1 миллиметра, поскольку сделать приводные механизмы еще меньшего размера было невозможно.

Прорыв в управлении микромеханизмами

Международная команда ученых преодолела этот барьер, отказавшись от традиционных механических приводов. Вместо этого они предложили использовать лазер для приведения в движение миниатюрных шестерен. Для этого на поверхность зубчатого колеса нанесли метаструктуру — особую наноструктурированную поверхность, способную взаимодействовать со светом. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Как работают оптические метаматериалы

Оптические метаматериалы представляют собой поверхности с регулярными наноструктурами, которые способны улавливать и контролировать свет на наноуровне. Благодаря тщательно рассчитанным резонансам в метаструктуре ученые могут точно управлять оптическими процессами. На основе таких структур разрабатываются, например, «плащи-невидимки» для различных диапазонов излучения.

Эксперимент: лазер приводит в движение шестерню

В ходе эксперимента исследователи изготовили на чипе шестеренки диаметром в десятки микрометров с помощью литографии. На поверхность некоторых из них нанесли метаструктуры. При облучении устройства циркулярно-поляризованным лазерным светом с длиной волны 1064 нанометра и мощностью 88,5 микроватта на квадратный микрометр, удалось заставить зубчатое колесо вращаться. Скорость вращения регулировалась интенсивностью лазера, а направление — поляризацией света. Таким образом, громоздкие механические соединения были заменены управлением с помощью света.

Преимущества и перспективы технологии

Как отметил первый автор исследования Гань Ван (Gan Wang), созданная передача позволяет одной шестерне, приводимой в движение светом, запускать всю цепь. Такие миниатюрные механизмы могут преобразовывать вращательное движение в линейное, выполнять периодические движения и управлять микроскопическими зеркалами для отклонения светового потока.

Возможность интегрировать подобные детали непосредственно в чип и управлять ими с помощью света открывает новые перспективы для создания сложных движущихся микросистем. Использование лазера не требует физического контакта с механизмом, что облегчает масштабирование технологии.

Потенциальные применения

Размеры новых шестерен сопоставимы с размерами некоторых человеческих клеток, поэтому одной из перспективных областей применения этой разработки является медицина.