Oamenii de știință au construit micromotoare de dimensiunea celulelor umane

Miniaturizarea mecanismelor angrenate a permis trecerea de la sisteme macroscopice tradiționale, precum morile de vânt și locomotivele cu aburi, la dispozitive microscopice de înaltă precizie utilizate în robotică, microfluidică și optică. Recent, o direcție emergentă urmărește utilizarea luminii pentru acționarea micromotoarelor fabricate din materiale compatibile cu tehnologia CMOS (compatibil cu metal-oxid-semiconductor), cu scopul de a obține mecanisme funcționale scalabile în domeniul sub-10 μm.
Strategiile anterioare de acționare a micromotoarelor s-au bazat pe câmpuri electrice statice sau alternative, câmpuri magnetice ori lumină focalizată, fiecare având limitări în privința miniaturizării, adresabilității individuale sau interferenței între componente. Utilizarea metasuprafețelor optice - structuri nanoinginerite care controlează propagarea luminii - oferă o alternativă promițătoare, fără cerințe privind conectivitatea electrică sau materiale speciale, și cu potențial ridicat de paralelizare.

Despre studiu

Cercetătorii de la Universitatea din Göteborg au dezvoltat micromotoare optice rotative denumite metarotoare, bazate pe inele cu metasuprafețe din siliciu gravate pe substraturi de sticlă și suspendate în apă. Fiecare unitate include patru segmente de metasuprafață, cu celule (meta-atomi) orientate diferit pentru a genera un cuplu net în lumină polarizată liniar.

Metasuprafața redirecționează lumina incidentă, generând un cuplu optic ce antrenează rotația inelului prin transfer de moment liniar. Prin proiectarea și aranjarea meta-atomilor, direcția și viteza de rotație pot fi controlate. Fabricarea este scalabilă, cu zeci de mii de motoare pe un singur cip de 5×5 mm, fiind compatibilă cu procesele standard de fotolitografie.

Rezultate

Controlul rotației și eficiența energetică

• Viteza unghiulară (ω) crește cu intensitatea luminii și cu numărul de meta-atomi, până la un prag unde apar efecte termice (scădere a vâscozității apei).
• Eficiența de conversie optică este în jur de 10⁻¹⁴, similară cu alte sisteme optice de microacționare.
• Funcționare susținută până la 11 ore, fără degradare structurală, dar cu reducerea treptată a vitezei din cauza impurităților din mediu.

Interacțiunea cu lumina și polarizarea

Metarotoarele pot fi proiectate pentru a răspunde diferit la polarizarea luminii:

• Lumină polarizată liniar: rotație într-o direcție fixă.
• Lumină circular polarizată dreapta/stânga: creștere sau reducere a vitezei, sau chiar inversarea direcției, în funcție de design.
• Combinații de metasuprafețe permit control bidirecțional al rotației doar prin schimbarea polarizării luminii.

Transmisie mecanică: angrenaje și conversii de mișcare

• Metarotoarele cu dinți (metaangrenaje) pot antrena roți pasive, respectând raportul clasic al razelor angrenajelor (Dp/Dm).
• Este posibilă multiplicarea cuplului sau a vitezei și conectarea la mai multe roți simultan, cu pierderi datorate frecării.
• Designuri tip cremalieră–pinion permit conversia mișcării de rotație în translație:
• Sub polarizare alternativă – obținem mișcare oscilatorie controlabilă.
• Sub polarizare constantă – adăugarea de metasuprafață pe cremaliere permite oscilații autogenerate.
• Prin inserarea unor oglinzi aurii în structuri mobile, se poate controla direcția luminii reflectate sau transmise – o alternativă optică la microoglinzile electrostatice.

Aplicabilitate și integrare tehnologică

Designul este compatibil cu tehnologia CMOS, oferind:

• scalabilitate la nivel de cip,
• integrare cu metalense, senzori plasmonici și alte componente optice avansate,
• funcționare în regim paralel pe suprafețe mari,
• direcționare selectivă a luminii pentru a acționa numai componentele necesare.

Interpretare

Prin utilizarea luminii ca sursă de energie - biocompatibilă și ușor de direcționat - aceste micromotoare oferă o platformă promițătoare pentru manipularea obiectelor biologice, inclusiv celule sau bacterii. Lungimea de undă utilizată (1064 nm) minimizează absorbția în apă și țesuturi, asigurând un mediu sigur pentru aplicații biomedicale.

Viitoarele direcții de cercetare includ:

• integrarea materialelor cu tranziție de fază (ex. VO₂) pentru metasuprafețe reconfigurabile în timp real,
• folosirea profilurilor involute pentru reducerea frecării în angrenaje,
• extinderea funcționalității în domeniul vizibil cu materiale alternative (ex. TiO₂),
• implementarea în sisteme optomecanice programabile, inclusiv dispozitive capabile să genereze structuri luminoase spațial variabile.

Prin capacitatea de a modula forțele optice la scară fentoNewton, aceste metasisteme se pot transforma în instrumente precise pentru măsurarea proprietăților mecanice ale macromoleculelor sau celulelor individuale.

Concluzii

Studiul prezintă o arhitectură revoluționară de micromotoare optice și metamașini funcționale, alimentate exclusiv de lumină uniform polarizată. Prin combinarea inovației în designul metasuprafețelor cu procesele standard CMOS, autorii oferă o platformă scalabilă, precisă și versatilă, deschizând noi direcții în micro- și nanomecatronică, optică adaptivă și bioinginerie.