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我国学者在非液体环境光驱动研究中取得重要进展

2019-03-19 09:14:48 机械工程 纳米机器 脉冲光

 


图.  非液体环境中光驱微纳马达(A)实验装置图;(B)扫描电子显微图;(C)光学显微镜序列帧图;(D)电子显微镜序列帧图

  在国家自然科学基金项目(批准号:61425023,61575177,61775194)等资助下,浙江大学、西湖大学仇旻教授团队利用光驱动金箔围绕光纤旋转,在非液体环境中实现了对固体表面微纳物体旋转自由度的控制。研究成果以“Nanoscale Lamb Wave-driven Motors in Nonliquid Environments”(非液体环境中兰姆波驱动的纳米马达)为题,于2019年3月8日在Science Advances(《科学进步》)上发表。论文链接:http://advances.sciencemag.org/content/5/3/eaau8271。

  光具有远程操纵、高精度、瞬时作用等特点,是驱动纳米机器重要的能量源之一。光驱纳米机器在新型传感器、精准医疗、超级存储等领域具有广泛的应用前景。然而,在非液体环境中,物体表面接触所形成的粘附力在微纳尺度非常显著,通常比光力大几个数量级。因此,大多数光力驱动都需要将被驱动物体浸润在液体环境中以消除这种粘附力的影响。在非液体环境中用光驱动纳米器件,特别是非液体环境中固体表面微纳物体旋转自由度的控制,是未能解决的难题之一。

  仇旻教授团队利用脉冲光激发表面弹性波来驱动物体,实现了在干燥环境中对光纤表面30nm厚度金箔旋转自由度的控制。金箔对脉冲光的瞬时吸收导致其温度迅速升高再降低,迅速膨胀收缩而激发表面弹性波,该弹性波联合金箔与光纤表面的粘附力驱动金箔在光纤表面旋转(图)。该旋转马达的工作环境可以是空气或真空,拓展了光驱纳米机器的工作环境以及运动模式。通过该研究工作发现,原本不利于运动的表面粘附力成为了驱动物体运动的必要因素之一。表面的强粘附力使得金箔牢牢地附着在光纤表面,一个光脉冲可驱动金箔挪动一个亚纳米步长,使用一系列光脉冲就能让金箔做步进运动,运动精度可控制在亚纳米量级。研究成果有望应用于微光机电系统、新能量转换系统、真空高精度机械等领域。

 

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