Motor plasmónico a nanoescala - Nanoscale plasmonic motor
Un motor plasmónico a nanoescala (a veces llamado " molino de luz ") es un tipo de nanomotor que convierte la energía luminosa en movimiento de rotación a nanoescala . Está construido a partir de piezas de lámina de oro en forma de gammadion , incrustadas dentro de capas de sílice . Cuando se irradia con la luz de un láser , las piezas de oro giran. El funcionamiento se explica por el concepto cuántico del plasmón . Este tipo de nanomotor es mucho más pequeño que otros tipos y su funcionamiento se puede controlar variando la frecuencia de la luz incidente.
Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y la Universidad de California, Berkeley han elaborado un modelo de demostración funcional . Es probable que otros desarrollos incluyan mejorar la resistencia y la flexibilidad y la identificación de materiales de menor costo. Las aplicaciones previstas incluyen desenrollar el ADN de las células vivas y hacer un uso eficiente de la energía solar .
Introducción
El aumento de la demanda en microtecnología y nanotecnología ha desencadenado vastos intereses y oportunidades para el desarrollo de varios productos basados en sistemas mecánicos micro ( MEMS ) y nano ( NEMS ). Una de las características de esta tecnología es su capacidad única para imitar diversos fenómenos naturales. Por ejemplo, la ingeniería biomédica ha logrado reemplazar y aumentar la función de los órganos dañados o enfermos, diseñando los artificiales utilizando el enfoque a nanoescala. La ciencia detrás de la nanotecnología les ayuda a diseñar dispositivos utilizados para trasplantes en medicina, lo que sugiere que uno debe comprender cómo funcionan los dispositivos a nanoescala explorando las células vivas y sus principios de funcionamiento. Sin duda, podría inspirar las ideas detrás del diseño de dispositivos potentes. El mecanismo de autorregeneración de energía por microorganismos ha llamado la atención para comprender cómo se puede generar energía a partir de nanomateriales .
Como se demuestra en los trabajos de varios investigadores, la nanotecnología tiene una gran capacidad para potenciar y mejorar varios dispositivos biológicos naturales al reemplazar esas entidades e imitar los procesos naturales dentro del ser vivo. La principal preocupación detrás de este enfoque es proporcionar una fuente alternativa con mayor capacidad en un entorno controlado. Uno de los descubrimientos más importantes entre ellos es el nanomotor , un dispositivo diminuto que tiene la capacidad de convertir varias formas de energía en movimiento utilizando enfoques observados en la naturaleza. El descubrimiento en este campo explica el uso de las propiedades de las ondas y las partículas juntas para hacer que el nanomotor funcione. Esto conduce a la observación del llamado nanomotor plasmónico utilizando las propiedades del plasmón para hacer que el nanomotor funcione. Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y la Universidad de California (UC) Berkeley han creado el primer motor de molino ligero de tamaño nanométrico cuya velocidad y dirección de rotación se pueden controlar sintonizando la frecuencia del incidente. ondas de luz.
Fondo
Los nanomotores se clasifican ampliamente en biológicos , híbridos y no biológicos. Los nanomotores biológicos son típicamente los motores microscópicos creados por la naturaleza, como los flagelos bacterianos, que pueden ponerse en movimiento mediante el uso de ATP sintasa , producida dentro de la célula. Este motor permite que la bacteria se mueva de forma independiente. La contraparte artificial se llama nanomotor no biológico e imita la función del nanomotor natural o biológico para permitir que los dispositivos funcionen. Sin embargo, estos nanodispositivos artificiales son menos eficientes en comparación con la contraparte biológica. Requieren cierta funcionalización para acelerar el movimiento o mejorar las funciones del nanomotor artificial. Por ejemplo, la incorporación de nanotubos de carbono en un componente de platino de un nanoalambre metálico asimétrico conduce a su movimiento dramáticamente acelerado en la solución de peróxido de hidrógeno . El nanomotor híbrido utiliza el principio químico que se observa regularmente en el nanomotor biológico y otros principios como las interacciones magnéticas para realizar sus funciones.
El movimiento de un nanomotor podría resultar de interacciones ópticas, eléctricas, magnéticas o químicas. Estos principios se aplican de acuerdo con la escala de los materiales que estamos tratando. Uno de los informes innovadores sobre nanomotores es la posibilidad de utilizar energía del comportamiento cuántico de los fotones para inducir el movimiento en los dispositivos, donde los autores pudieron inducir y controlar la rotación, la velocidad y las direcciones del oro nanométrico (motor) dentro de un microdisco de sílice . Este informe relevante señaló que la velocidad, la dirección y la rotación dependían en gran medida de la naturaleza de la luz (longitud de onda) que incide sobre el motor.
Principio de funcionamiento
La mayoría de los fotones exhiben un momento lineal y un momento angular . Estas propiedades se atribuyen a diferentes fenómenos como la inducción de par mecánico, el atrapamiento óptico y el enfriamiento tanto en observaciones a escala macro como a nanoescala.
Plasmon es el modo resonante que implica la interacción entre cargas libres y luz. En una nanoestructura metálica, cuando el campo eléctrico aplicado resuena con sus plasmones, la interacción entre la luz y la materia se puede mejorar enormemente. Los electrones libres en los metales pueden ser impulsados por la interacción de estas ondas plasmón de metales y el campo eléctrico, generado por la luz incidente. Este fenómeno también modifica la luz al influir en su campo eléctrico y magnético. Todo el proceso induce el par óptico que puede dar movimiento a las nanoestructuras metálicas.
Configuración experimental
Basado en el concepto plasmónico , Liu y un compañero de trabajo demostraron el motor plasmónico a nanoescala. Las nanoestructuras en forma de gammadion estaban compuestas de oro (tamaño ~ 190x 190 nm) que estaban intercaladas simétricamente entre dos capas de dióxido de silicio . Todo el sistema se fabricó utilizando litografía por haz de electrones estándar . Cuando el sistema se ilumina con luz polarizada linealmente , produce un par que impulsa estas diminutas nanoestructuras, llamadas "nanomotores plasmónicos". La torsión impuesta resulta únicamente de la simetría y la interacción de la estructura del gammadion con la luz incidente. Estos nanomotores parecen cambiar sus direcciones de movimiento (en sentido horario y antihorario) de acuerdo con la longitud de onda (más larga y más corta) del rayo láser incidente .
Aplicaciones
Debido a su tamaño y energía impulsada, el motor plasmónico a nanoescala podría proporcionar una fuerza de rotación a nanoescala, que sería ampliamente utilizada en conversión de energía y biología.
En biologia
La dinámica estructural de procesos celulares como la replicación y la transcripción podría determinar las propiedades mecánicas del ADN . Sin embargo, se debe considerar el efecto del torque al medir la mecánica del ADN . Bajo tensión baja, el ADN se comporta como una varilla flexible isotrópica; mientras que a tensiones más altas, el comportamiento de las moléculas sobre y subbobinadas es diferente. Cuando se usa el motor plasmónico a nanoescala, la tensión de torsión se acumulará en la molécula al mantener estacionaria la perla del rotor con flujo de fluido. Observando el ángulo de torsión del ADN, se pudieron obtener las propiedades elásticas del ADN.
El motor a nanoescala impulsado por luz recientemente desarrollado podría abordar las limitaciones de los molinos de luz anteriores. Genera un par de torsión comparable, que estaba hecho de oro y tenía un tamaño mucho más pequeño. A 100 nanómetros (una décima parte del tamaño de otros motores) haría posibles aplicaciones como desenrollar el ADN en células vivas. Mientras el sistema está bajo control de devanado y desenrollado de ADN, el pequeño motor podría iluminarse en diferentes longitudes de onda para la manipulación in vivo .
En conversión de energía
El sistema microelectromecánico es diferente del sistema electromecánico tradicional. Para el motor plasmónico a nanoescala, podría recolectar energía luminosa a través de objetos giratorios a escala microscópica. Además, un motor plasmónico a nanoescala podría vincular los mecanismos de transducción en serie (por ejemplo, convertir una señal térmica primero en una señal mecánica, luego en una señal óptica y finalmente en una señal eléctrica).
Por lo tanto, estos motores podrían aplicarse a la captación de luz solar en sistemas nanoscópicos mediante el diseño de múltiples motores para que funcionen en diferentes frecuencias de resonancia y direcciones únicas. Y estas múltiples estructuras de motor podrían usarse para adquirir par de un amplio rango de longitud de onda en lugar de una sola frecuencia.
Limitaciones
En el pasado, las nanopartículas se rotaban aprovechando el movimiento intrínseco incidente de la luz, pero es la primera vez que se induce la rotación de una nanopartícula sin aprovechar el momento angular intrínseco de la luz.
Debido a que el motor plasmónico a nanoescala es una tecnología nueva, se enfrentan varios problemas, como el precio de los costos de desarrollo más altos, una mayor complejidad y un tiempo de desarrollo más largo, y los métodos y materiales de caballo de batalla de la tecnología de sistemas electromecánicos a escala nanométrica (NEMS) no son universalmente bien adaptado a la nanoescala. El motor plasmónico a nanoescala también tiene limitaciones en fuerza y flexibilidad .
Planes futuros
En el futuro, los científicos prestarán más atención a la síntesis, la eficiencia de los molinos ligeros. También se desarrollarán materiales alternativos para motores como sustitutos de los costosos materiales, como oro, silicio , nanotubos de carbono , utilizados en la etapa experimental. También se mejorará la fuerza y flexibilidad de los motores plasmónicos a nanoescala.