Je leest:

Licht laat nanomolen draaien

Licht laat nanomolen draaien

Auteur: | 15 juli 2010

Amerikaanse wetenschappers bouwden onlangs een nanomotor die een vierduizend keer grotere schijf wist aan te drijven. De nanomotor oogt als een klein windmolentje. Alleen draait deze niet op wind, maar bijzonder genoeg op licht. Hoe kan licht een nanomolentje laten draaien?

James Clerk Maxwell had het weer eens bij het rechte eind.
Wikimedia Commons

Het idee dat licht voorwerpen in beweging kan brengen is niet nieuw, eerder vrij oud. De eerste die voorspelde dat licht een kracht op een oppervlak kan uitoefenen was de Schotse natuurkundige James Clerk Maxwell in 1865 op basis van zijn beroemde Maxwellvergelijkingen. De Russische natuurkundige Pyotr Lebedev bewees in 1900 met een experiment dat Maxwell gelijk had. Licht kan inderdaad druk uitoefenen op een oppervlak, hoewel die druk zeer klein is.

Duwtje

Het fenomeen staat tegenwoordig bekend als stralingsdruk. Het is goed voor te stellen dat licht een druk kan uitoefenen als je licht voorstelt als een stroom van lichtdeeltjes, fotonen. Fotonen hebben geen massa, maar vanwege hun hoge snelheid bezitten ze wel een impuls. Het kost daarom energie om ze van richting te laten veranderen. Als ze bijvoorbeeld reflecteren op een spiegel, krijgt de spiegel een heel klein duwtje. Maar dan ook echt heel klein: de aarde ondervindt bijvoorbeeld van het zonlicht een stralingsdruk van 4,6 micropascal, dat is 100 miljard – een 1 met 11 nullen – keer zo weinig als de standaard luchtdruk op aarde van 1035 hectopascal (1 hectopascal is 100 pascal). En zelfs dat merken we amper.

Maar hoewel wij op aarde niets merken van die stralingsdruk, moet je het belang ervan zeker niet onderschatten. Zonder stralingsdruk zouden sterren als onze zon nooit hebben bestaan en waren wij er niet eens geweest. Mede door deze druk stort een ster niet in onder zijn eigen gewicht. Wetenschappers hebben het nut van stralingsdruk inmiddels ook ingezien, met zogenaamde zonnezeilen als bekendste voorbeeld hiervan. Deze enorme zeilen moeten zoveel mogelijk stralingsdruk opvangen om ruimtevaartuigen voort te stuwen. Tot nu toe met weinig succes overigens.

Links veroorzaakt licht krachten voor draaiing tegen de klok in. Rechts met de klok mee.
Xiang Zhang, Berkeley-universiteit Californië

Lichtmolen

Amerikaanse wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory en de Berkeley-universiteit van Californië hebben nu laten zien dat stralingsdruk ook op hele kleine schaal – op nanometerniveau – nuttig te gebruiken is. Ze bouwden een honderd nanometer kleine ‘molen’ van goud in de vorm van een gammadium, een symbool nauw verwant met het meer bekende hakenkruis. Deze vorm was niet zomaar gekozen. Wanneer de molen met laserlicht werd beschenen, zorgde deze vorm ervoor dat de impulsjes van de fotonen uit het licht op specifieke plekken op de wieken een kracht genereerden (zie afbeelding hiernaast): het molentje ging draaien. Afhankelijk van de golflengte van het licht gebeurde dat links- of rechtsom. Bekijk in dit filmpje het resultaat.

Het lichtmolentje in actie. Wanneer de golflengte wordt aangepast, draait de molen de andere kant op.

Het is al knap dat ze met licht een molentje aan het draaien hebben gekregen, maar nog knapper is dat dit molentje zo krachtig draait dat het bovendien als motor kan dienen. De lichtmolen bleek een vierduizend keer grotere schijf van siliciumdioxide draaiende te houden, toen de molen in deze disk geplaatst werd. De kracht die dit nanomotortje levert, kon voorheen slechts opgehoest worden door vergelijkbare motoren die zo’n duizend keer groter zijn. Hoe komt deze lichtmolen zo krachtig?

Het lichtmolentje, geplaatst op een schijf van siliciumdioxide.
DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory

Plasmonisch effect

De truc zit hem in de interactie van het licht met het materiaaloppervlak. Die is normaal gesproken vrij zwak, dus worden grotere motortjes gebruikt om toch de benodigde kracht te leveren. Dit team Amerikaanse wetenschappers heeft slim gebruik gemaakt van een fenomeen dat zich op het oppervlak van metalen als zilver of goud afspeelt. Kleine elektromagnetische golfjes, zogeheten oppervlakte-plasmonen (in het Engels surface plasmons genoemd), lopen over het oppervlak via vrije elektronen in het metaal. Zie het als een pakketje energie dat van elektron naar elektron over het oppervlak springt.

Het team ontdekte dat als het inkomende licht precies dezelfde frequentie heeft als de frequentie waarmee de oppervlakteplasmonen zich verplaatsen het licht enorm versterkt wordt: er vindt resonantie plaats. De kracht op de wieken werd daarmee ook vele malen groter dan normaal. Er waren twee golflengtes waarbij de resonantie optrad, bij 810 en 1700 nanometer. Bij de eerste draaide de molen met de klok mee, bij de tweede tegen de klok in. Door de golflengte te variëren, had het team controle over de snelheid en de richting waarmee de molen draaide.

Toepassing

De afmeting van deze relatief sterke nanomotor maakt hem erg geschikt als krachtbron voor kleine machientjes op de nanoschaal, zogenaamde nano-elektromechanische systemen (NEMS). Dit is weer een stap kleiner dan de MEMS, die we in veel toepassingen vinden, zoals sensoren of accelerometers. Maar misschien komt de nanomotor ook wel van pas bij het detecteren of manipuleren van biologische moleculen, zoals bijvoorbeeld het afwikkelen of oprollen van strengen DNA.

Bron

M. Liu, Light-driven nanoscale plasmonic motors, Nature Nanotechnology, 4 juli 2010 (online). doi:10.1038/nnano.2010.128

Lees meer over machientjes of motoren op nanoschaal op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/nanomotor/nanomotoren/index.atom", “max”=>"5", “detail”=>"normaal"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 15 juli 2010

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.