Физики создали вращающиеся от света микрошестеренки

❋ 4.7

Ученые покрыли поверхность кремниевой шестеренки метаструктурой. Это позволило управлять ее вращением с помощью лазера.

Физика

# лазеры

# литография

# метаповерхность

# механика

# мотор

# поляризация

Шестеренка с метаструктурами, взаимодействующими со светом / © Gan Wang

Зубчатые колеса, шестерни, используются повсюду — в часах, автомобилях, на гидроэлектростанциях, в детских игрушках. Эта деталь необходима для передачи крутящего момента между деталями механизмов.

Исследователи и инженеры постоянно стараются сделать шестерни все меньше, чтобы сконструировать с их помощью микродвигатели. Прогресс остановился на отметке 0,1 миллиметра, поскольку создать необходимые приводные механизмы меньшего размера оказалось невозможно.

Международная группа ученых преодолела этот барьер, отказавшись от традиционных механических приводов. Они придумали, как использовать лазер для приведения шестерен в движение. Для этого пришлось создать метаструктуру на поверхности зубчатого колеса. Исследование опубл и ковано в журнале Nature Communications.

Оптические метаматериалы часто выглядят как поверхности с созданными на них регулярными структурами. Такие поверхности улавливают и контролируют свет в наномасштабе. За счет тщательно рассчитанных резонансов в метаструктуре ученые могут точно контролировать оптические процессы. На основе метаструктур разрабатывают «плащи-невидимки» для разных 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.

СЭМ-изображение (вверху) и видео в светлом поле (внизу): реечная передача приводилась в движение мотором — активируемой светом меташестеренкой. Устройство освещалось циркулярно-поляризованным лазерным излучением с длиной волны 1064 нанометра мощностью 88,5 микроватта на квадратный микрометр. Направление движения механизма можно изменять с помощью поляризации света. Видео в реальном времени / © Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62869-6

Исследователи заставили зубчатое колесо вращаться, направляя на него луч лазера. Интенсивность лазерного света регулировала скорость вращения, а поляризация — направление вращения. Ученые заменили громоздкие механические соединения светом.

«Мы создали зубчатую передачу, в которой шестерня, приводимая в движение светом, приводит в движение всю цепь. Шестерни также могут преобразовывать вращательное движение в линейное, выполнять периодические движения и управлять микроскопическими зеркалами для отклонения света», — уточнил первый автор исследования Гань Ван (Gan Wang).

Кремниевые шестеренки на чипе. Третья — с метаструктурами на поверхности. Она реагировала на излучение лазера и вращает систему. Диаметр каждой шестеренки — примерно 0,016 миллиметра / © *Gan Wang*

Ученые рассказали, что возможность интегрировать такие детали непосредственно в чип и управлять ими с помощью света открыла совершенно новые перспективы. Использование лазера не требует фиксированного контакта с механизмом и позволяет масштабировать идею до сложных движущихся микросистем.

Диаметр шестерни сопоставим с размером некоторых человеческих клеток, поэтому медицина — одна из областей, где новая разработка имеет перспективы применения.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.