I mer än 30 år har forskare försökt skapa kugghjul för att bygga mikromotorer. Men det har tagit stopp vid 0,1 millimeter.

Forskare från bland annat Göteborgs universitet, har nu brutit igenom den barriären genom att skippa traditionella mekaniska drivlinor och i stället använda sig av laserljus som sätter kugghjulen i rörelse direkt.

I sin nya studie visar forskarna att mikroskopiska maskiner kan drivas av optiska metaytor – små, mönstrade strukturer som kan fånga och styra ljus i nanoskala.

Med traditionell litografi tillverkas kugghjul med en optisk metayta av kisel direkt på ett mikrochip – kugghjulet har en diameter på några tiotals mikrometer. Genom att lysa på metaytan med laser kan forskarna få kugghjulet att snurra. Intensiteten i laserljuset styr hastigheten och det går också att byta riktning på kugghjulets rörelse genom att ändra polarisationen på lasern.

Forskarna är därmed nära att skapa mikromotorer.

– Vi har byggt ett kugghjulstråg där ett ljusdrivet kugghjul sätter hela kedjan i rörelse. Kugghjulen kan också omvandla rotation till en linjär rörelse, utföra periodiska rörelser och styra mikroskopiska speglar för att avleda ljus, säger studiens försteförfattare Gan Wang i ett pressmeddelande.
Han är forskare i mjuk materia vid Göteborgs universitet.

Att kunna integrera sådana maskiner direkt på ett chip och driva dem med ljus öppnar helt nya möjligheter. Eftersom laserljuset inte kräver någon fast kontakt med maskinen och är lätt att kontrollera kan mikromotorn skalas upp till komplexa mikrosystem.

– Vi kan använda de nya mikromotorerna som pumpar inne i människokroppen, för att till exempel reglera olika flöden. Jag tittar även på hur de fungerar som ventiler som öppnar och stänger sig.

BILDEN: Det andra kugghjulet från höger har ett optiskt metamaterial som reagerar på laserljus och får kugghjulet att röra sig. Alla kugghjul är tillverkade av kiseldioxid direkt på ett chip. Varje kugghjul har en diameter på cirka 0,016 mm. Foto: Gan Wang.