Nano-Konstrukteur und Motor

Licht und Materie haben ein inniges Verhältnis. Sie treten auf die unterschiedlichsten Weisen in Wechselwirkung. Licht regt Moleküle zum Schwingen an, schlägt Elektronen aus Atomen, oder wird vielleicht künftig sogar durch seinen Druck Nano-Lichtsegel im Weltraum vorantreiben. Licht kann aber auch Arbeit im Nanokosmos verrichten. Das haben Ingenieure um Norbert Scherer von der University of Chicago mit einem neuartigen Nano-Getriebe jetzt eindrucksvoll bewiesen. Sie zeigen, wie sich in der Nanotechnologie Licht in mechanische Energie umwandeln lässt. Die Nano-Getriebe basieren auf der Wechselwirkung eines Laserlichtfeldes mit Metallpartikeln. Die Interaktion führt dazu, dass sich die Teilchen durch das Licht zu geordneten Strukturen zusammensetzen. Dies ist ein ähnliches Prinzip wie bei einer optischen Pinzette, bei dem Licht verwendet wird, um Partikel, biologische Moleküle und Zellen festzuhalten und zu manipulieren.

Forscher schufen eine optische Materie-Maschine, die ähnlich wie eine mechanische Maschine funktioniert, in der, wenn ein Zahnrad gedreht wird, sich ein kleineres ineinandergreifendes Zahnrad in die entgegengesetzte Richtung dreht (a). Die Licht-Materie-Maschine (b) verwendet zirkular polarisiertes Licht, um ein Nanopartikel-Array zu erzeugen, das wie das größere Zahnrad wirkt, indem es sich im optischen Feld dreht. Dies bewirkt, dass ein Sondenteilchen - analog zum zweiten kleineren Zahnrad - das Nanopartikelarray in entgegengesetzter Richtung umkreist.

Darstellung: Norbert F. Scherer, University of Chicago

Für die Konstruktion der Nano-Maschinen gaben die Forscher Silber-Nanopartikel mit einem Durchmesser von 150 Nanometer in Wasser. Sobald das zirkular polarisierte Laserlicht mit einer Wellenlänge von rund 600 Nanometern auf sie traf, ordneten sich die umherschwimmenden Partikel wie von Geisterhand zu einem strukturierten Mini-Getriebe.

„Sowohl die Energie für den Zusammenbau der Maschine als auch die Kraft, sie zum Laufen zu bringen, kommen vom Licht", erklärt Norbert Scherer. Sobald das Laserlicht in eine Lösung mit Nanopartikeln eingebracht wird, läuft der Prozess von alleine ab. „Obwohl wir das Ergebnis nicht steuern, könnte dies leicht geschehen, um die Maschinen für verschiedene Anwendungen maßzuschneidern“, meint Scherer.

So schufen die Forscher eine optische Materie-Maschine, die ähnlich wie eine mechanische funktioniert, die auf ineinandergreifenden Zahnrädern basiert. Wenn in der Mechanik ein Zahnrad gedreht wird, dreht sich ein kleineres ineinandergreifendes Zahnrad in die entgegengesetzte Richtung. Die optische Materiemaschine besteht aus einem Nanopartikel-Array, das wie ein großes Zahnrad wirkt und sich im Lichtfeld dreht. Das bewirkt, dass ein weiteres Teilchen, analog zu einem zweiten, kleineren Zahnrad, das Nanopartikelarray in entgegengesetzter Richtung umkreist.

Die Forscher fanden heraus, dass die Anzahl und Anordnung der Nanoteilchen die Effizienz der Maschine beeinflusst. Das deutet darauf hin, dass die Effizienz der Maschine durch die Anordnung verschiedener Zahnräder verändert werden kann. Einsatz finden könnten die Mini-Getriebe zum Beispiel als Nanopumpen oder bei der automatisierten Sortierung von Partikeln, so die Ingenieure.

Originalpublikation:

Paper: J. Parker, C.W. Peterson, Y. Yifat, S. A. Rice, Z. Yan, S. K. Grays, N. F. Scherer,

An Optical Matter Machine: Angular Momentum Conversion by Collective Modes in Optically Bound Nanoparticle Arrays

Optica 7, 10, 1341-1348 (2020). DOI: doi.org/10.1364/OPTICA.396147.