6 دقیقه
چرخدندههای مقیاس میکرومتر با نیروی نور لیزر
دانشگاه یوتبوری از پیشرفتی در مکانیک مقیاس میکرو خبر داده است: پژوهشگران چرخدندههای محرک با نور ساخته‌اند که به اندازه‌ای کوچک‌اند که داخل موی انسان جا می‌شوند. با جایگزینی کوپلینگ‌های مکانیکی سنتی با عملگرهای نوری، تیم تحقیقاتی چرخدندههای سیلیکایی روی تراشه‌ای با قطر تنها چند ده میکرومتر تولید کرد و چرخش کنترل‌شده، معکوس‌سازی جهت و انجام کار مکانیکی در این مقیاس را نشان داد.
سومین چرخ از سمت راست دارای یک متامتریال اپتیکی است که به نور لیزر واکنش نشان می‌دهد و باعث حرکت چرخ می‌شود. همه چرخ‌دنده‌ها مستقیماً روی تراشه از سیلیکا ساخته شده‌اند. قطر هر چرخ حدود 0.016 mm است. اعتبار تصویر: Gan Wang
این میکروچرخ‌دنده‌ها با لیتوگرافی استاندارد ساخته شده و شامل الگوهای متامتریال اپتیکی هستند — ساختارهای نانومقیاس که نور ورودی را می‌گیرند و دستکاری میکنند. هنگام تابش، متامتریال نور را به نیروها و گشتاورهای موضعی تبدیل میکند که چرخ را می‌چرخانند. تغییر در شدت لیزر سرعت چرخش را عوض میکند؛ تغییر در پلاریزاسیون جهت چرخش را معکوس میکند. این روش بدون تماس، نیاز به مجموعه‌حرکتی‌های مکانیکی سنتی را حذف میکند؛ مانعی که مدت‌ها جلوی کوچک‌شدن موتورها زیر 0.1 mm را می‌گرفت.
چگونه میکروموتورهای فعال‌شده با نور کار میکنند
متامتریال‌های اپتیکی آرایه‌هایی مهندسی‌شده از ویژگی‌های زیرطول‌موجی هستند که تکانه و توزیع میدان نور را تغییر می‌دهند. در دستگاههای یوتبوری، این الگوها درون یک چرخدنده سیلیکا که مستقیماً روی تراشه سیلیکونی ساخته شده، ادغام شده‌اند. هنگامی که پرتو لیزر متمرکز بر تکه متامتریال می‌تابد، پخش ناهمسانگرد و نیروهای میدان نزدیک تولید می‌شود که گشتاور روی چرخ ایجاد میکند. با تنظیم هندسه متامتریال و پارامترهای لیزر (شدت، پلاریزاسیون، موقعیت پرتو)، پژوهشگران می‌توانند نرخ چرخش، جهت و کوپلینگ به عناصر مکانیکی همسایه را تنظیم کنند.
از آنجا که عملگر نوری است نه مکانیکی، سیگنال محرک بدون تماس فیزیکی منتقل می‌شود. این طراحی را ساده‌تر کرده و امکان مونتاژ متراکم روی تراشه را فراهم میکند: یک چرخدنده محرک با نور می‌تواند چرخ‌های مجاور یا اجزای متصل را به حرکت درآورد. تیم همچنین تبدیل چرخش به حرکت خطی و حرکات دوره‌ای میکرومکانیکی را نشان داد و نشان داد که چرخ‌دنده‌ها می‌توانند آینه‌های میکروسکوپی را هدایت کنند تا نور را محلی بازتاب دهند — کاربردی برای فوتونیک یکپارچه و حسگری.
زمینه علمی و پیامدها برای میکروجهازات
میکرو-و نانوموتورها دهه‌هاست که حوزه‌ای فعال در پژوهش هستند و کاربردهایی از پمپ‌های میکروفلوئیدیک تا سیستم‌های آزمایشگاه-روی-تراشه و دستگاههای بیومدیکال هدفمند دارند. رویکرد جدید یک محدودیت مقیاس‌پذیری کلیدی را هدف قرار می‌دهد: مجموعه‌چرخ‌دنده‌های سنتی نیاز به فضا برای محور، بلبرینگ و کوپلینگ دارند که در اندازه‌های کوچک عملی نیستند. عملگر نوری جایگزین کوپلینگ‌های حجیم با پرتوهای نور می‌شود و امکان ساخت موتوری با ابعاد مشابه سلول‌های انسانی (حدوداً 16–20 µm) را فراهم میکند و فضای طراحی برای سامانه‌های میکروپیچیده را باز میکند.
کاربردهای احتمالی شامل سوییچها و مدولاتورهای اپتیکی روی تراشه‌های فوتونیک، دستکاری ذرات در میکروفلوئیدیک و دستگاههای میکرو که برای پزشکی قابل کاشت یا تزریق‌اند است. پژوهشگران به‌طور مشخص نقش‌های پزشکی مانند پمپها یا شیرهای میکرومتری که جریان مایعات را در بافت‌ها تنظیم میکنند یا پلتفرم‌های تشخیصی آزمایشگاه-روی-تراشه که نیاز به کنترل مکانیکی یکپارچه دارند را برجسته میکنند.
جزئیات آزمایش و ساخت
این دستگاه‌ها با استفاده از روش‌های لیتوگرافی تثبیت‌شده برای الگوگذاری لایه‌های سیلیکا و سیلیکون روی تراشه ساخته شدند. تکه‌های متامتریال در مقیاس نانو تعریف شده‌اند تا در هنگام تابش با لیزر مرئی یا نزدیک به فروسرخ پاسخ اپتیکی موردنظر را ایجاد کنند. در آزمایش‌ها تیم توان و پلاریزاسیون لیزر را تنظیم کرد تا راه‌اندازی/توقف کنترل‌شده، تغییر سرعت و معکوس‌سازی جهت چرخش را نشان دهد. تراشه‌ها زیر میکروسکوپ مشاهده شدند تا کوپلینگ مکانیکی بین چرخ‌دنده‌ها تأیید و زمان‌های پاسخ و برآورد گشتاور اندازه‌گیری شود.
این کار از تکنیک‌های بین‌رشته‌ای در فیزیک ماده نرم، نانوساخت و فوتونیک بهره می‌برد و به یکپارچه‌سازی مقیاس‌پذیر با فرآیندهای موجود نیمه‌هادی اشاره دارد.
دیدگاه کارشناسان
دکتر Elena Márquez، مهندس میکروفلوئیدیک در یک مؤسسه پژوهشی زیست‌پزشکی (که در این مطالعه دخیل نبوده)، می‌گوید: "جایگزینی کوپلینگ‌های مکانیکی با کنترل نوری راه هوشمندانه‌ای برای غلبه بر محدودیت‌های فیزیکی چرخدندههای کوچک است. برای دستگاههای میکرودرسی، توانایی راه‌اندازی پمپها یا شیرها از راه دور با نور می‌تواند کاشت و کنترل را ساده کند. گام‌های بعدی کلیدی شامل ارزیابی سازگاری زیستی، رساندن توان در بافت و پایداری بلندمدت خواهد بود."
کشف‌های اصلی و چشم‌انداز آینده
دستاورد اصلی نشان دادن چرخش قابل‌اطمینان، قابل‌معکوس و قابل‌کنترل چرخدندههای مقیاس میکرومتر تنها با نور و ادغام این چرخ‌ها روی تراشه با امکان پیوند مکانیکی به مؤلفه‌های همسایه است. جهت‌های پژوهشی آینده شامل بهینه‌سازی طراحی‌های متامتریال برای گشتاور بالاتر، گسترش عملکرد به مؤلفه‌های نانومقیاس، ترکیب عملگر نوری با حسگرهای الکتریکی یا شیمیایی و اعتبارسنجی عملکرد در محیطهای زیستی مرتبط است.
در حالی که چالشهایی باقی است — رساندن توان لیزری به درون بدن، اطمینان از عملکرد قابل‌اعتماد در محیطهای سیال یا بیولوژیکی و یکپارچه‌سازی مدارهای خوانش — این رویکرد مسیر دستیابی به ماشین‌های واقعاً میکروسکوپی را که در مقیاس سلول‌های منفرد عمل میکنند، می‌گشاید.
نتیجه‌گیری
میکروموتورهای محرک با نور که از چرخدندههای سیلیکا با متامتریال‌های اپتیکی یکپارچه ساخته شده‌اند، گامی مهم به سوی ماشین‌آلات کاربردی در مقیاس میکرو به شمار می‌روند. با استفاده از نور لیزر برای عملگر بدون تماس، پژوهشگران مانع مهمی را در اندازه سیستم‌های چرخ‌دنده‌ای برداشته و راه‌های جدیدی برای فناوری‌های آزمایشگاه-روی-تراشه، فوتونیک یکپارچه و دستگاههای بالقوه پزشکی مانند میکروپمپ‌ها و شیرها باز کرده‌اند. توسعه بیشتر هندسه‌های متامتریال، استراتژی‌های انتقال توان و بستهبندی سازگار با زیستمحیطی تعیین خواهد کرد این میکروموتورها چه زمان از نمایش آزمایشگاهی به کاربردهای عملی برسند.
منبع: sciencedaily
نظرات