Įspūdingas mokslininkų pasiekimas: surado būdą, kaip šviesą paversti darbu 100 000 kartų efektyviau (Video)
|
Šį mikrokrumpliaratį pagal laikrodžio rodyklę suka temperatūrų skirtumas tarp jo vidinių ir išorinių smailių, dėl kurių kapiliarinės jėgos krumpliaratį tempia nevienodai.
©Maggi, et al. ©2015 Nature Communications Mokslininkai pademonstravo, kad ant paprastu LED šviestuku ant skysčio paviršiaus plaukiojantys mikrokrumpliaratukai gali suktis iki 300 aps/min sparta. Šis šviesa varomas judėjimas, kylantis dėl šviesos sukeliamo mažučio temperatūrų skirtumo, savo ruožtu sukuriančio paviršiaus įtempimo skirtumą supančiame skystyje, yra maždaug penkiomis dydžio eilėmis efektyvesnis už kitus šviesą darbu verčiančius mechanizmus. Kadangi efektas nepriklauso nuo dydžio, mokslininkai tikisi, kad sistemą bus galima tiek padidini iki makromastelio, tiek ir sumažinti iki nanodydžio.
Tyrėjai, Claudio Maggi ir bendraautoriai iš Romos universiteto, Italijos technologijų instituto Genujoje ir NANOTEC-CNR Nanotechnologijų instituto Romoje, paskelbė straipsnį apie naują šviesos konvertavimo į darbą demonstraciją naujausiame Nature Communications numeryje. Tyrime mokslininkai mikrokrumpliaračius mokslininkai pagamino lazerine litografija, padengė juos amorfinės anglies sluoksniu didesnei absorbcijai ir panardino juos skystyje. Tada mažą lašelį su jame skendinčiais mikrokrumpliaračiais užlašino ant mikroskopo stiklinės plokštelės ir apšvietė juo LED. Jei ankstesniems šviesa varomų motorų sukimui reikėjo galingų lazerių blyksnių, šiuo atveju platus LED apšvietimas sukėlė sukimąsi, kuriam pakako vos kelių mikrovatų galios kiekvienam krumpliaračiui, kas reiškia 100 000 didesnį šviesos vertimo darbu efektyvumą. Efektyvumas padidėjo, nes naujoji sistema naudoja visiškai naują šviesos vertimo darbu mechanizmą. Anksčiau panašios sistemos remdavosi spinduliavimo slėgiu, sukuriamu fokusuotu lazerio spinduliu, arba termoforeze, kas yra lėta kieto kūno dalelių migracija, sukeliama temperatūrų skirtumo supančiame skystyje. Kad termoforezė vyktų, pusė dalelės padengiama šilumą sugeriančia danga, kad stipriai apšviesta, dalelė būtų stumiama išilgai temperatūrinio gradiento. Asimetrinės formos mikromotorai, efektyviai verčiantys šviesą darbu, naudodami termokapiliarinį efektą. Maggi, et al. ©2015 Nature Communications Naujojoje sistemoje visas motoras padengiamas šilumą sugeriančiu sluoksniu, tad įšyla vienodai. Tačiau vidinės kiekvieno krumpliaračio smailės būna karštesnės už išorines, todėl atsiranda asimetrinis temperatūros gradientas aplinkiniame skystyje. Kadangi paviršiaus įtempimas didėjant temperatūrai, paprastai mažėja, šis temperatūros gradientas – netgi toks mažas, kaip keli milikelvinai – sukelia paviršiaus įtempimo gradientą, o tai reiškia, kad skysčio kapiliarinės jėgos traukia mikrokrumpliaratį nevienodai. Dėl nevienodo traukimosi randasi sukimo momentas, verčiantis mikrokrumpliaračius greitai suktis.
Kaip aiškina tyrėjai, šis efektas labai panašus į Marangoni efektą, irgi susijusį su paviršiaus įtempimo gradientu. Dėl Marangonio efekto, skysčiai ir maži objektai ant skysčio su paviršiaus įtempimo gradientu, judės iš mažo paviršiaus įtempimo regiono į regioną su didesniu paviršiaus įtempimu. Nors ankstesniuose tyrimuose Marangoni stūmos demonstravimui buvo naudojami stipriai fokusuoti lazeriai, šis tyrimas yra pirmasis, kai efektas buvo pasiektas nekoherentiniu plačiu apšvietimu, tokiu, kokį skleidžia paprastas LED.
Ateityje šis efektyvus judėjimas nuo šviesos galėtų būti naudojamas įvairiose srityse ir įvairiais masteliais, nuo miniatiūrinių saulės agregatų iki nanomašinų.
„Saulės mašinomis galima judėti žeme, vandeniu ir oru, naudojant saulės energiją kaip pagrindinį energijos šaltinį,“ Maggi sakė Phys.org. „Šviesos vertimui judesiu paprastai reikia tam tikrų transformacijų tarp skirtingų energijos formų. Paprastai tai būna elektriniai aparatai, energiją gaunantys iš šviesos elementų, konvertuojančių saulės šviesą į elektros energiją. Tačiau ši netiesioginė strategija yra sudėtinga ir apriboja saulės variklių miniatiūrizaciją mikrometrų masteliu.“
„Antra vertus, stūmos generavimas mažu masteliu yra būtinas mikro- ir nanomašinų masteliu vadinamose laboratorijose luste,“ sakė Roberto Di Leonardo iš Italijos nacionalinės mokslų tarybos, ir komandos organizatorius. „Būsimi tyrimai šia kryptimi galėtų sukurti mikromašinas, gebančias perkelt mažus krovinius, pavyzdžiui, atskiras ląsteles, miniatiūriniuose įrenginiuose, varomuose paprasčiausia saulės šviesa.“
▲
Lisa Zyga
Laboratorijos svetainė:http://glass.phys.uniroma1.it/dileonardo/index.php Žurnalo nuoroda:Nature Communications | |||||||
| |||||||
