پژوهشگران موتورهای کوچک متنوعی را ساختهاند که برای تبدیل اشکال مختلف انرژی به شکل حرکت بکار میروند. آخرین مثال از این نوع، ذرهای کروی است که سریعاً حول یک پرتوی لیزری میچرخد. به بیان محققان طرحهای آتی به این ذره این امکان را خواهد داد تا بتوان آن را به دیگر مولفههای میکرومقیاس جفت کرد و برای مثال برای مخلوطکردن سیالات بر روی قطعات آزمایشگاه بر روی تراشه استفاده کرد.

این ترکیب، مخلوطی از آب و حدود ۳۰ درصد ۲-۶، لوتینیدین و یک ترکیب آلی است. با این نسبتها دو مایع وقتی سرد هستند با هم مخلوط میشوند اما وقتی به بالاتر از ۳۴ درجه گرم میشوند، غلظت به شکل محلی تغییر کرده و سپس کاملاً با هم مخلوط میشوند. این پژوهشگران کرههایی به قطر 2.48 میکرومتر از سیلیکا را با اجزاء اکسید آهن در این مخلوط مایع و در دماهای چند درجه پایینتر از مقدار بحرانی غوطهور ساختهاند. سپس یکی از این کرهها را در انبرکهای اپتیکی به دام انداختهاند.

اکسید آهن در کرهها امکان جذب انرژی نور را فراهم کرده و دما را بالا میبرد و موجب میشود تا اندکی از مرکز پرتو منحرف شود و طرفی که به پرتو نزدیکتر است گرمتر خواهد بود. این گرمای کم، غلظت محلی لتیدین را نسبت به آب در طرف کره افزایش میدهد که باعث میشود تا کره در جهت خلاف حرکت کند چون سطحش آبدوست بوده و به آب جذب شده است. بنابراین کره مکان ثابتی را با مرکزش تاحدودی کمتر از یک میکرومتر بدور از محور مرکزی پرتوی لیزری پیدا میکند.

بعلاوه، حرارتدهی نامنظم که از توزیع غیریکنواخت اکسید آهن در درون کره نتیجه میشود، یک نیروی جانبی را ایجاد میکند که کره را برای چرخش حول پرتوی لیزری هل میدهد. این محققان مجموعهای از این آزمایشها را که در آن، مایع در ۲۶ درجه سلسیوس نگه داشته شده و تدریجاً توان لیزری تا چند میلیوات افزایش مییابد را انجام دادهاند. در توان پایین (کمتر از حدود ۲ میلیوات) گرمادهی برای دوباره مخلوطشدنِ مایع کافی نیست و کره ثابت میماند. با افزایش توان و گرمای محلی، کره به دور از مرکز حرکت میکند و آرامآرام اما نامنظم حول پرتوی لیزری میچرخد. گاهی اوقات کره به سمت محور کشیده میشود و سپس در جهت خلاف شروع به چرخش میکند. به گفتهی پژوهشگران این به دلیل آن است که حرکت براونی حرکت و جهتگیری ذره را مختل میکند.

با توان لیزری 2.7 میلیوات، حرکت در ۱۱۶۰ دور در دقیقه پایدار میماند که در آن حالت، مرکز کره ۱ میکرومتر از محور دور است. به بیان ولپ، این حرکت به شکل نامحدودی ادامه مییابد. در 2.3 میلیوات دوباره نامنظم میشود و حتی در توانهای بالاتر نیرویی که برای دوباره مخلوطشدن است کره را به دور از انبرکهای اپتیکی میراند. این تیم محاسبات عددی را نیز انجام دادهاند که به شکل کیفی با رفتار مشاهده شده تطابق داشته و درک آنها را از نیروی درگیر تایید میکند.

به بیان این پژوهشگران، طرح مناسب از یک کرهی نامتقارن بایستی این امکان را فراهم کند تا ذره در یک جهت ترجیحی بچرخد. به گمان ولپ، ذره چرخنده میتواند قطرات کوچک سیال استفاده شده در قطعات آزمایشگاه روی تراشه را مخلوط کند؛ جاییکه مخلوطشدن طبیعی، به دلیل کمبود آشفتگی در چنان فضاهایی، محدود میشود. به بیان ولپ، شاید جفتکردن این حرکت به عنصر میکروسکوپیکی دیگر، با یک اتصال مغناطیسی یا یک مولکول پلیمری نیز دشوار نباشد.

کوانتو-سو این مکانیزم جدید را «بسیار هوشمندانه» توصیف میکند. او نیز مثل ولپ و همکارانش خاطر نشان میکند که دستیابی به سرعتهای چرخش بالا با تغییرات دمایی کم و با چند میلیوات توان لیزری در تضاد با دیگر سیستمهای محرک اپتیکی قرار دارد که در آن برای انجام این کار به چند وات نیاز است و تغییرات داخلی بزرگتری نیز بوجود میآید. به گفتهی کوانتو-سو این «ویژگیهای قابلتوجه» بایستی دیگر محققان را برای جستجوی طرحهای موتورهای میکروی دیگر تشویق کند.

این پژوهش در مجلهی فیزیکال ریویو لترز انتشار یافته است.

منبع:

1. P. A. Quinto-Su, “A Microscopic Steam Engine Implemented in an Optical Tweezer,” Nat. Commun. 5, 5889 (2014).

درباره‌ی نویسنده:

دیوید لیندلی (David Lindley) نویسندهی آزاد در ویرجینیا است.

منبع:

A Tiny Engine Powered by Light and Liquid Physics