Zvětšit obrázek

Schematický obrázek a snímek z řádkovacího tunelového mikroskopu - zlatá „nanovrtulka“ světelného motoru je zapuštěná mezi dvě identické 300 nm tenké a 2,2 x 2,2 mikrometrů velké křemenné deštičky. Světlem poháněný motor tak roztočí 4 000 krát větší objem, než je jeho vlastní. Kredit: M. Liu et al. Nature Nanotechnology 4. 7. 2010

Nanometr je miliontina milimetru. Ploché motorky ve tvaru levotočivé svastiky mají rozměr 190 x 190 nm - tedy přibližně 36 tisícin čtverečného mikrometru, což je asi 140 tisíc krát méně, než je plocha průřezu průměrného lidského vlasu. Tyto zlaté mikroskopické vrtulky, které autoři nazývají „světelné nanomlýny“, jsou zatavené mezi dvěma 300 nanometrů tenkými deštičkami z čistého křemene (SiO₂) s plošnými rozměry 2,2 x 2,2 mikrometrů (tisícin milimetru) – plocha více než tisíc krát menší než je průřez vlasu (obrázek vpravo).

Hotové deštičky fyzikové rozptýlili v demineralizované vodě, ale gravitace je uložila vodorovně na povrchu skleněné podložky. Když celý systém ozářil lineárně polarizovaný laserový paprsek s vlnovou délkou 810 nm (blízké infračervené záření), levotočivé vrtulky roztočily deštičky proti směru hodinových ručiček. Když vědci použili více než dvojnásobnou vlnovou délku (1 700 nm), rotace se změnila na pravotočivou - ve směru hodinových ručiček. Světlo s výkonem 1 miliwatt způsobilo rotaci s frekvencí 0,3 Hz, tedy jedna otáčka si vyžádala něco přes tři sekundy. Zatavením několika světelných nanomlýnů do jedné deštičky se při stejném světle dosáhne vyšší rychlost rotace (obrázek vlevo).

Zvětšit obrázek

Schema křemenné destičky s vícero motory. Výsledný moment síly je součtem momentů síly jednotlivých motorů a tak světlem s jistou intenzitou roztočíme deštičku rychleji, než kdyby v ní byla jenom jedna vrtulka, anebo na stejné otáčky stačí slabší laserové světlo s konkrétní vlnovou délkou. Kredit: M. Liu et al. Nature Nanotechnology 4. 7. 2010

Samozřejmě že to není tlak kolmo na vrtulky dopadajícího záření, co je nutí rotovat. Hnací sílou jsou rezonance povrchových plazmonů (polaritonů). Fotony jsou kvanta energie a když narazí na vodivý povrch kovu, můžou být absorbovány kvazi-volnými (vodivostními) elektrony, které se rozkmitají (obrázek pod článkem). V závislosti od vlnové délky vyvolávajícího světla, vlastností a tvaru vodivé kovové nanostruktury a dielektrické chrakteristiky okolního polarizovatelného izolátoru vznikají oscilace, jakési vybuzené hustotní elektronové vlny, které se podélně šíří a případně navzájem interferují.

Dopadající polarizované světlo vyvolává i na povrchu nanovrtulky, na rozhraní zlata s křemennou destičkou, plazmonové oscilace. Jejich výsledná struktura, tedy i charakter slabého elektromagnetického pole závisí od vzájemných interakcí plazmonů v tom-kterém bodě, což souvisí s tvarem a rozměry světelného nanomlýnku. Na některých místech sa tvoří elektromagnetická minima, na jiných maxima, jež jsou pak hlavními zdroji sekundárního vyzařování. Když má primární laserové světlo frekvenci blízkou některé plazmonové rezonanci, uspořádání maxim toků elektromagnetické energie a fázová synchronizace jimi vyzařovaných fotonů udělují nanomotoru moment hybnosti. Laserový paprsek s vlnovou délkou 810 nanometrů otáčí zlaté nanovrtulky doleva, ale jiný, s vlnovou délkou 1 700 nanometrů, doprava:

Zobrazení světlem indukovaného elektrického pole a směrů toků energie šířící se elektromagnetické vlny (šipky znázorňují Poyntingův tok energie – viz. poznámky pod článkem). Při ozáření lineárně polarizovaným světlem s vlnovou délkou 810 nm (a) se působením energie absorbované na vnějších stranách ramen indukuje moment síly, otáčející nanomotor proti směru hodinových ručiček. Při delších vlnových délkách elektromagnetické vlny procházejí mezerami a jejich energie (Poyntingův tok) je rozptýlena a absorbována na vnitřních ohybech ramen, což vytváří točivý moment ve směru hodinových ručiček. Kredit: M. Liu et al. Nature Nanotechnology 4. 7. 2010

Video – přes vrstvu demineralizované vody nafilmovaná rotace nanovrtulky při osvětlení laserovým světlem s vlnovou délkou 810 nm a pak s vlnovou délkou 1 715 nm. Největší točivý moment vyvolává světlo, jehož frekvence rezonuje s frekvencí plazmonů v daném kovu (Kredit: Xiang Zhang)

Zvětšit obrázek

Tří z pětice tvůrců světlem poháněného nanomotoku - ve předu první autor práce Ming Liu, za ním jeho školitel a vedoucí Xiang Zhang a třetím je Thomas Zentgraf. Kredit: R. Kaltschmidt, Berkeley Lab Public Affairs

K čemu je to dobré? Autoři článku uvádějí: „Světlem indukovaný mechanický točivý moment nabízí vzrušující možnosti pro využití v elektromechanických systémech nanometrových rozměrů, pro nové způsoby uchovávání energie a v biologii, kde malé rozměry jsou podmínkou při manipulacích v živém organizmu – mohlo by jít například o řízené splétání a rozplétání dvoušroubovice DNA pomocí světla různé vlnové délky. Rozsah aplikací může být rozšířen o nanoskopické systémy využívající solární energii, ve kterých zabudované nanomotory budou při různých rezonančních frekvencích působit stejným směrem. Taková struktura složena z vícero nanomotorů může získávat kroutící moment ze širokého spekra vlnových délek světla, nejen z jedné frekvence.“

Zvětšit obrázek

Povrchové plazmony (polaritony) jsou světlen indukované hustotní vlny vodivostních elektronů v povrchové vrstvě kovového vodiče (zejména Ag, Au) s nanometrovou strukturou. Rozhraní kov – dielektrikum (polarizovatelný izolant) je tak zdrojem elektromagnetického pole.

 

Poyntingův vektor matematicky vypočteme jako vektorový součin vektorů intenzity elektrického a intenzity magnetického pole. Směr Poyntingova vektoru je totožný se směrem šíření energie, velikost Poyntingova vektoru je ve většině situací rovna plošné hustotě výkonu [W/m²] přenášeného vlněním.
Zdroj: Multimediální učebnice

Poznámka – ve všech mediálních zprávách se uvádí rozměr nanomotorku 100 nanometrů. Dodatkové informace k článku však uvádí 190 x 190 nanometrů a v samotném článku se mluví o 100 nm jako o poloměru.

Zdroje: Lawrence Berkeley National Laboratory, Nature Nanotechnology 1, 2