Plasmonisk motor i nanoskala - Nanoscale plasmonic motor
En plasmonisk motor i nanoskala (noen ganger kalt en " lysmølle ") er en type nanomotor som omdanner lysenergi til rotasjonsbevegelse i nanoskala . Den er konstruert av gullplater i gammadionform , innebygd i lag av silisiumdioksyd . Når de bestråles med lys fra en laser , roterer gullbitene. Virkemåten er forklart av kvante konseptet av plasmon . Denne typen nanomotor er mye mindre enn andre typer, og dens drift kan kontrolleres ved å variere frekvensen på det innfallende lyset.
En fungerende demonstrasjonsmodell er produsert av forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory og University of California, Berkeley . Sannsynligvis videreutvikling inkluderer forbedring av styrke og fleksibilitet, og identifisering av billigere materialer. Påtenkte applikasjoner inkluderer å avvikle DNA fra levende celler og effektivt bruke solenergi .
Introduksjon
De økte kravene innen mikroteknologi og nanoteknologi har utløst de store interessene og mulighetene for utviklingen av ulike mikro- ( MEMS ) og nano- ( NEMS ) mekaniske systembaserte produkter. En av funksjonene i denne teknologien er dens unike evne til å imitere forskjellige naturfenomener. For eksempel har biomedisinsk teknikk lykkes med å erstatte og øke funksjonen til skadede eller syke organer, ved å designe de kunstige ved hjelp av nanoskala. Vitenskapen bak nanoteknologien hjelper dem med å designe enheter som brukes til transplantasjon i medisin, noe som tyder på at man skal forstå hvordan nanoskalaenheter fungerer ved å utforske levende celler og dets arbeidsprinsipper. Det kan absolutt inspirere ideene bak utformingen av kraftige enheter. Mekanismen for automatisk regenerering av energi av mikroorganismer har trukket oppmerksomhet til å forstå hvordan energi kan genereres fra nanomaterialer .
Som demonstrert i verk fra forskjellige forskere, har nanoteknologi en stor evne til å drive og forbedre flere naturlige biologiske enheter ved å erstatte disse enhetene og etterligne naturlige prosesser i det levende vesenet. Den primære bekymringen bak en slik tilnærming er å tilby en alternativ kilde med høyere evne under et kontrollert miljø. En av gjennombruddsfunnene blant dem er nanomotoren , en liten enhet som har evnen til å konvertere ulike former for energi til bevegelse ved hjelp av tilnærminger observert i naturen. Oppdagelsen i dette feltet forklarer bruken av bølge- og partikkelegenskaper sammen for å få nanomotoren til å fungere. Dette fører til observasjon av den såkalte plasmoniske nanomotoren ved å bruke egenskapene til plasmon for å få nanomotoren til å fungere. Forskere ved US Department of Energy (DOE) 's Lawrence Berkeley National Laboratory og University of California (UC) Berkeley har laget den første lysfresemotoren i nano-størrelse hvis rotasjonshastighet og retning kan styres ved å stille inn frekvensen av hendelsen lysbølger.
Bakgrunn
Nanomotorer er i stor grad klassifisert i biologiske , hybrid og ikke-biologiske. Biologiske nanomotorer er vanligvis de mikroskopiske motorene som er skapt av naturen, som bakteriell flagella som kan komme i bevegelse ved hjelp av ATP-syntase , produsert i cellen. Denne motoren lar bakterien bevege seg uavhengig. Den menneskeskapte motstykket kalles en ikke-biologisk nanomotor og etterligner funksjonen til naturlig eller biologisk nanomotor for å la enhetene fungere. Imidlertid er disse menneskeskapte nanoenhetene mindre effektive sammenlignet med den biologiske motstykket. De krever viss funksjonalisering for å akselerere bevegelse eller for å forbedre funksjonene til den kunstige nanomotoren. For eksempel innlemmelse av karbon nanorør i platinakomponent i asymmetrisk metall nanotråd fører til dens dramatisk akselererte bevegelse i hydrogenperoksidoppløsning . Den hybride nano anvender kjemikaliet prinsipp som er regelmessig observert i den biologiske nano og andre prinsipper som magnetiske vekselvirkninger for å utføre sine funksjoner.
Bevegelsen til en nanomotor kan skyldes optiske, elektriske, magnetiske eller kjemiske interaksjoner. Disse prinsippene brukes i henhold til omfanget av materialene vi har å gjøre med. En av gjennombruddsrapportene om nanomotor er muligheten til å bruke energi fra kvanteoppførselen til fotoner for å indusere bevegelse i enhetene, der forfatterne var i stand til å indusere og kontrollere rotasjon, hastighet og retninger av nanosisert gull (motor) innenfor silisiumdisk . Denne relevante rapporten påpekte at hastighet, retning og rotasjon var sterkt avhengig av lysets (bølgelengdens) natur som påvirker motoren.
Arbeidsprinsipp
For det meste viser fotoner lineær momentum så vel som vinkelmoment . Disse egenskapene tilskrives forskjellige fenomener som induksjon av mekanisk dreiemoment, optisk fangst og avkjøling både i makroskala og nanoskala observasjoner.
Plasmon er resonansmodusen som involverer samspillet mellom gratis ladninger og lys. I en metallisk nanostruktur, når det påførte elektriske feltet er resonant med plasmoner, kan interaksjonen mellom lys og materie forbedres sterkt. Frie elektroner i metaller kan drives av samspillet mellom disse plasmonbølgene av metaller og det elektriske feltet, generert av det innfallende lyset. Dette fenomenet endrer også lyset ved å påvirke dets elektriske og magnetiske felt. Hele prosessen induserer det optiske dreiemomentet som kan gi en bevegelse til de metalliske nanostrukturene.
Eksperimentell konfigurasjon
Basert på plasmonisk konsept demonstrerte Liu og kollega plasmonmotoren i nanoskala. De gammadion- formede nanostrukturene var laget av gull (størrelse ~ 190x 190 nm) som var symmetrisk klemt mellom to silisiumdioksydlag . Hele systemet ble produsert ved hjelp av standard elektronstrålelitografi . Når systemet er belyst med lineært polarisert lys , produserer det et dreiemoment som driver disse små nanostrukturer, kalt "plasmoniske nanomotorer". Det pålagte dreiemomentet skyldes bare gammadionstrukturens symmetri og interaksjon med det innfallende lyset. Disse nanomotorene ser ut til å endre bevegelsesretningene (med klokken og mot klokken) i henhold til bølgelengden (lengre og kortere) av den innfallende laserstrålen .
applikasjoner
På grunn av sin størrelse og drevne energi, kan den plasmoniske motoren i nanoskala gi rotasjonskraft i nanoskala, som vil bli mye brukt i energiomdannelse og biologi.
I biologi
Den strukturelle dynamikken i cellulære prosesser som replikering og transkripsjon kan bestemme de mekaniske egenskapene til DNA . Effekten av dreiemoment bør imidlertid vurderes når man måler DNA- mekanikken. Under lav spenning oppfører DNA seg som en isotrop fleksibel stang; mens ved høyere spenninger er oppførselen til over- og underveisede molekyler forskjellig. Når nanoskala plasmonic Motoren brukes, vridningsspenning vil bygge seg opp i molekylet ved å holde rotoren vulsten stasjonært ved hjelp av fluidstrømning. Gjennom å observere vridningsvinkelen til DNA, kunne de elastiske egenskapene til DNA oppnås.
Den nyutviklede lysdrevne nanoskala-motoren kunne takle begrensningene til de tidligere lysverkene. Den genererer sammenlignbart dreiemoment, som var laget av gull og hadde mye mindre størrelse. Med 100 nanometer (en tidel av størrelsen på andre motorer) ville det være mulig å bruke applikasjoner som å koble DNA i levende celler. Mens systemet er under kontrollert vikling og avvikling av DNA, kan den lille motoren bli belyst i forskjellige bølgelengder for in vivo- manipulering.
I energiomdannelse
Det mikroelektromekaniske systemet er forskjellig fra det tradisjonelle elektromekaniske systemet. For plasmonmotoren i nanoskala kan den høste lysenergi gjennom roterende gjenstander i mikroskopisk skala. I tillegg kan en nanoskala plasmonisk motor koble transduksjonsmekanismer i serie (f.eks. Konvertere et termisk signal først til et mekanisk signal, deretter til et optisk signal og til slutt til et elektrisk signal).
Så disse motorene kan gjelde høsting av sollys i nanoskopiske systemer ved å designe flere motorer for å arbeide med forskjellige resonansfrekvenser og enkeltretninger. Og slike flere motorstrukturer kan brukes til å skaffe dreiemoment fra et bredt bølgelengdeområde i stedet for en enkelt frekvens.
Begrensninger
Tidligere ble nanopartikler rotert ved å utnytte den innfallende indre bevegelsen av lyset, men det er første gang å indusere rotasjonen av en nanopartikkel uten å utnytte lysets indre vinkelmoment.
Fordi plasmonmotoren i nanoskala er en ny teknologi, møter flere problemer, for eksempel prisen på høyere utviklingskostnader, større kompleksitet og lengre utviklingstid og arbeidshestemetodene og materialene til NEMS-teknologi (nanometer-skala) er ikke universelt godt egnet til nanoskala. Den plasmoniske motoren i nanoskala har også begrensninger i styrke og fleksibilitet .
Fremtidsplaner
I fremtiden vil forskere ta mer hensyn til syntese, effektiviteten til lysverkene. Alternative materialer for motorer vil også bli utviklet som erstatning for de dyre materialene - som gull, silisium , karbon nanorør - brukt i eksperimentfasen. Styrken og fleksibiliteten til plasmoniske motorer i nanoskala vil også forbedres.