基于超表面的微型车辆利用光作为驱动力
2021-10-07 20:53:25   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

采用纳米结构的超表面（Metasurfaces）及其潜在的光学特性对于一些光学元件是具有吸引力的，包括经典的光学透镜、光波导元件等。

除了反射和折射特性，超表面还可以通过它们对光相位的操纵来改变与光束相关的线动量和角动量，但迄今为止对这种行为的研究较少。据麦姆斯咨询报道，近日，查尔姆斯理工大学（Chalmers University of Technology）领导的一个科研项目已经将这一特性投入应用，展示了超表面光操纵产生的力（光机械效应）如何为微型车辆提供动力。上述研究成果发表在Nature Nanotechnology期刊上，这项研究工作为创造具有特殊功能行为的各种微型载体指明了一条道路。

该研究项目制造的微型车辆尺寸为10μm x 12μm x 1μm，其核心部分是一种高折射率超表面。该超表面是由在低折射率二氧化硅基质材料上形成的多晶硅超原子构成。这款微型车辆被设计成在水中工作，使用1064nm平面波照射驱动。

正如该项目发布的论文中所述，从被照射的超表面产生动力需要两个条件。首先，超表面需要将光弯曲到特定的偏转角度，从而在特定方向上产生反作用力。其次，超表面还必须改变光的角动量，即通过表面特殊的纳米结构产生定向反应力矩。查尔姆斯理工大学研究团队开发出一种通过控制照射在超表面上的“光的偏振”而不是“光的方向”来有效引导微型车辆运动的方法。

根据查尔姆斯理工大学介绍，通过调整光的强度和偏振，研究人员能够高精度地控制微型车辆的运动和速度。微型车辆可以工作于不同方向和复杂导航模式（例如八字形）。“微型车辆是稳定的，导航也是高度可预测和可控的。”论文合著者Daniel Andrén评论道，“有了先进的自动反馈系统，可对光源的强度和偏振进行更精密控制，就有可能实现更复杂的导航。”

查尔姆斯理工大学研究人员还使用这款微型车辆作为运输工具，将微型颗粒推到实验箱周围。在试验中，包括微小的聚苯乙烯珠和酵母颗粒在内的物体通过这种方式在水中成功运输，并且还推动了一个15倍于微型车辆本身大小的灰尘颗粒。

由于现在可以制造出大量不同的光学超表面，该项目研究人员认为，利用上面介绍的光驱动原理，可以在微型车辆中产生各种各样的运动和功能行为。这可能包括使用空间多路复用超表面来构建能够根据照射光的波长来改变其功能行为的微型车辆，或者能够充当分子传感器的微型载体。

查尔姆斯理工大学Mikael Käll指出：“在基于光机械效应的力的探索中，有许多有趣的现象尚未完全被合理解释，因此推动此类研究是对未知领域的探索。我们展示了采用超表面的微型车辆如何被用作运输工具，这是最有前景的潜在应用，例如在细胞溶液中移动微粒。”

延伸阅读：

《超材料和超表面技术及市场-2021版》