Klicka hÀr för att se en video pÄ metafarkosterna

Forskare pĂ„ Chalmers tekniska högskola har skapat mikroskopiska farkoster som gĂ„r att styra med hjĂ€lp av ljusets kraft. Genom att rikta en ljuskĂ€lla mot smĂ„ specialpreparerade partiklar – metafarkoster – har forskarna lyckats köra dem i kontrollerade banor. De har Ă€ven fĂ„tt farkosterna att transportera andra partiklar.

Ljus har en inneboende kraft som kan förflytta mikroskopiska föremÄl. Den upptÀckten ligger till grund för den nobelprisvinnande optiska pincetten, dÀr forskare kunde visa hur en fokuserad laserstrÄle kan fÄnga in och hÄlla fast partiklar med stor precision.

Nu har en forskargrupp vid Chalmers tekniska högskola och Göteborgs universitet visat att kraften i ofokuserat ljus, en sÄ kallad planvÄg, kan anvÀndas för att styra en mikropartikel i en kontrollerad bana. Forskningen presenterades nyligen i en vetenskaplig artikel i tidskriften Nature Nanotechnology.

De smĂ„ farkosterna som forskarna har tillverkat Ă€r tio mikrometer breda och en mikrometer tjocka, alltsĂ„ bara en tusendels millimeter. De minimala partiklarna har belagts med ett konstgjort material – en sĂ„ kallad metayta.

Metaytor bestÄr av noggrant utformade och samspelta nanopartiklar som har skrÀddarsytts för att kontrollera ljus pÄ ovanliga och nyskapande sÀtt. I framtiden hoppas man kunna anvÀnda metaytor i bland annat kameror, mikroskop, elektroniska skÀrmar och andra teknikprylar som krÀver avancerade optiska komponenter. Vanligtvis ses metaytor som stationÀra objekt som kan kontrollera och pÄverka ljus. Men i det hÀrfallet valde forskargruppen att vÀnda pÄ saken och i stÀllet utnyttja hur kraften frÄn ljuset pÄverkar sjÀlva metaytan.

Som tvÄ biljardbollar som krockar med varandra

Forskarna placerade de mikroskopiska partiklarna – metafarkosterna – i botten av en vattenfylld behĂ„llare och belyste dem med laserljus. Genom en rent mekanisk process, som sker oberoende av den vĂ€rme som ljuset alstrar, kunde forskarna med stor precision kontrollera metafarkosternas rörelse och fart och till och med styra dem Ă„t olika hĂ„ll och i olika formationer genom att variera laserljusets polarisation.

– Enligt Newtons tredje lag finns det en likvĂ€rdig och motsatt reaktion till varje hĂ€ndelse. I det hĂ€r fallet innebĂ€r det att nĂ€r ljuset nĂ„r metaytan viker det av i en ny riktning, och reaktionskraften gör sĂ„ att den mikroskopiska farkosten far ivĂ€g Ă„t motsatt hĂ„ll. Det Ă€r som nĂ€r du spelar biljard och tvĂ„ bollar slĂ„r emot varandra och Ă„ker ivĂ€g Ă„t olika hĂ„ll. Man kan likna metaytan och ljuset, fotonerna, vid tvĂ„ biljardbollar som krockar med varandra, sĂ€ger Mikael KĂ€ll, professor vid institutionen för fysik pĂ„ Chalmers tekniska högskola och ansvarig för forskningsprojektet.

Kan putta andra partiklar framför sig

Klicka hÀr för att se en video pÄ metafarkosterna

– Metafarkosterna Ă€r stabila, och vi kan navigera dem pĂ„ ett förutsĂ€gbart och kontrollerbart sĂ€tt. Med avancerade automatiska Ă„terkopplingssystem och mer sofistikerad kontroll av intensiteten och polariseringen av ljuskĂ€llan skulle Ă€nnu mer komplex navigering kunna vara möjlig, sĂ€ger Daniel AndrĂ©n, tidigare doktorand vid institutionen för fysik och förstaförfattare till artikeln.

Forskarna kunde Àven anvÀnda metafarkosterna som transportörer genom att fÄ dem att putta smÄ partiklar framför sig i vattenbehÄllaren. De kunde med lÀtthet flytta bland annat mikroskopiska plastpartiklar och jÀstceller. Metafarkosten klarade till och med av att förflytta ett dammkorn 15 gÄnger större Àn den sjÀlv.

– I utforskandet av optiska krafter finns det mĂ„nga intressanta effekter som Ă€nnu inte Ă€r helt vĂ€lförstĂ„dda. Det Ă€r inte tillĂ€mpningar som driver den hĂ€r typen av forskning, utan att utforska olika möjligheter. I ett antal olika led framĂ„t vet man aldrig vad som hĂ€nder. Men att vi visar att man kan anvĂ€nda partiklarna för att flytta pĂ„ andra saker, indikerar en möjlig tillĂ€mpning av dem som transportörer för andra objekt, exempelvis i cellösningar, sĂ€ger Mikael KĂ€ll.

Mer om den vetenskapliga artikeln:

Forskningen presenteras i artikeln Microscopic Metavehicles Powered and Steered by Embedded Optical Metasurfaces, Nature Nanotechnology. Artikeln Àr skriven av fysikerna Daniel Andrén, Denis G. Baranov, Steven Jones, Giovanni Volpe, Ruggero Verre och Mikael KÀll, verksamma pÄ Chalmers tekniska högskola, Göteborgs universitet och Moscow Institute of Physics and Technology.

Projektet Àr finansierat av Excellence Initiative Nano vid Chalmers tekniska högskola, VetenskapsrÄdet och Knut och Alice Wallenbergs stiftelse. De mikroskopiska metafarkosterna Àr tillverkade pÄ Myfab Chalmers.

För mer information, kontakta:

Chalmers University of Technology in Gothenburg, Sweden, conducts research and education in technology and natural sciences at a high international level. The university has 3100 employees and 10,000 students, and offers education in engineering, science, shipping and architecture.

With scientific excellence as a basis, Chalmers promotes knowledge and technical solutions for a sustainable world. Through global commitment and entrepreneurship, we foster an innovative spirit, in close collaboration with wider society.The EU’s biggest research initiative – the Graphene Flagship – is coordinated by Chalmers. We are also leading the development of a Swedish quantum computer.

Chalmers was founded in 1829 and has the same motto today as it did then: Avancez – forward.

Joshua Worth
Press officer
+46-31-772 6379
joshua.worth@chalmers.se