Moteur plasmonique à l’échelle nanométrique – Wikipedia wiki

UN moteur plasmonique à l’échelle nanométrique (parfois appelé un ” moulin à lumière ” ^[d’abord] ) est un type de nanomotrice, convertissant l’énergie lumineuse en mouvement de rotation à l’échelle nanométrique. Il est construit à partir de morceaux de feuille d’or sous une forme de gammadion, incrustée dans des couches de silice. Lorsqu’elles sont irradiées avec la lumière d’un laser, les pièces d’or tournent. Le fonctionnement s’explique par le concept quantique du plasmon. Ce type de nanomotrice est beaucoup plus petit que les autres types, et son fonctionnement peut être contrôlé en faisant varier la fréquence de la lumière incidente.

Un modèle de démonstration de travail a été produit par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory et de l’Université de Californie à Berkeley. Les développements supplémentaires comprennent probablement l’amélioration de la résistance et de la flexibilité et de l’identification des matériaux à moindre coût. Les applications envisagées comprennent le déroulement de l’ADN des cellules vivantes et l’utilisation efficace de l’énergie solaire.

Moteur plasmonique à l’échelle des nanomètres. Illustration du moteur en or de taille nanométrique, pris en sandwich entre deux microdisques de silice en forme carrée de 300 nm identiques de 300 nm avec une superficie de 2,2 × 2,2 mm. ^[2]

Caractéristiques de rotation et propriétés optiques des moteurs. Caractéristiques de rotation et propriétés optiques des moteurs. La carte des couleurs montre la distribution de champ électrique normalisée, et les flèches rouges indiquent le flux Poynting, qui est proportionnel à l’élan linéaire de la lumière au voisinage du moteur. Le flux Poynting est dispersé / absorbé du côté extérieur des bras, induisant un couple sur le moteur pour le conduire dans le sens antihoraire. ^[2]

Introduction [ modifier ]]

L’augmentation des demandes de microtechnologie et de nanotechnologie a déclenché des intérêts et des opportunités importants pour les développements de divers produits mécaniques micro- (MEMS) et nano- (NEMS). L’une des caractéristiques de cette technologie est sa capacité unique à imiter divers phénomènes naturels. Par exemple, le génie biomédical a réussi à remplacer et à augmenter la fonction des organes endommagés ou malades, ^[3] en concevant les artificiels en utilisant l’approche nanométrique. La science derrière la nanotechnologie les aide à concevoir des dispositifs utilisés pour la transplantation en médecine, ce qui suggère qu’il faut comprendre comment les appareils à l’échelle nanométrique fonctionnent en explorant les cellules vivantes et ses principes de travail. Cela pourrait certainement inspirer les idées derrière la conception d’appareils puissants. Le mécanisme d’auto-régénération de l’énergie par les micro-organismes a attiré l’attention sur la compréhension de la génération de l’énergie à partir de nanomatériaux.

Comme démontré dans les travaux de divers chercheurs, la nanotechnologie a une grande capacité à alimenter et à améliorer plusieurs dispositifs biologiques naturels en remplaçant ces entités et en imitant les processus naturels dans l’être vivant. La principale préoccupation derrière une telle approche est de fournir une source alternative avec des capacités plus élevées dans un environnement contrôlé. L’une des découvertes révolutionnaires parmi eux est le nanomotrice, un petit appareil qui a la capacité de convertir diverses formes d’énergie en mouvement en utilisant des approches observées dans la nature. La découverte dans ce domaine explique l’utilisation des propriétés des ondes et des particules pour faire fonctionner le nanomotrice. Cela conduit à l’observation du soi-disant nanomotrice plasmonique en utilisant les propriétés du plasmon pour faire fonctionner le nanomotrice. ^[4] Les chercheurs du Laboratoire national de Lawrence Berkeley du département américain de l’énergie (DOE) et de l’Université de Californie (UC) Berkeley ont créé le premier moteur de moulin à lumière de taille nano dont la vitesse et la direction de rotation peuvent être contrôlées en réglant la fréquence de l’incident les ondes lumineuses.

Arrière-plan [ modifier ]]

Les nanomotors sont largement classés en biologiques, hybrides et non biologiques. Biologique Les nanomotors sont généralement les moteurs microscopiques créés par la nature comme les flagelles bactériennes qui peuvent entrer en mouvement en utilisant l’ATP synthase, produite dans la cellule. Ce moteur permet aux bactériens de se déplacer indépendamment. L’homologue fait de l’homme est appelé un non biologique nanomotrice et imite la fonction du nanomotor naturel ou biologique permettre aux appareils de fonctionner. Cependant, ces nanodins artificiels sont moins efficaces par rapport à l’homologue biologique. Ils nécessitent une certaine fonctionnalisation pour accélérer le mouvement ou améliorer les fonctions du nanomotrice artificielle. Par exemple, l’incorporation de nanotubes de carbone dans la composante de platine des nanofils métalliques asymétriques conduit à son mouvement considérablement accéléré dans la solution de peroxyde d’hydrogène. Le hybride Nanomotor utilise le principe chimique qui sont régulièrement observés dans le nanomoteur biologique et d’autres principes tels que les interactions magnétiques pour remplir leurs fonctions. ^[5]

Le mouvement d’un nanomotrice pourrait résulter d’interactions optiques, électriques, magnétiques ou chimiques. Ces principes sont appliqués en fonction de l’échelle des matériaux avec lesquels nous traitons. L’un des rapports révolutionnaires sur Nanomotor est la possibilité d’utiliser l’énergie du comportement quantique des photons pour induire le mouvement dans les appareils, où les auteurs ont pu induire et contrôler la rotation, la vitesse et les directions de l’or nanosisé (moteur) dans le microdisque de silice. ^[6] Ce rapport pertinent a souligné que la vitesse, la direction et la rotation dépendaient fortement de la nature de la lumière (longueur d’onde) entraînant le moteur.

Principe de fonctionnement [ modifier ]]

La plupart des photons présentent un élan linéaire ainsi que un moment angulaire. Ces propriétés s’attribuent à différents phénomènes comme l’induction du couple mécanique, ^[7] piégeage optique ^[8] et refroidissement ^[6] à l’échelle macro et aux observations à l’échelle nanométrique.

Le plasmon est le mode résonnant qui implique l’interaction entre les charges libres et la lumière. Dans une nanostructure métallique, lorsque le champ électrique appliqué résonne avec ses plasmons, l’interaction entre la lumière et la matière peut être considérablement améliorée. Les électrons libres dans les métaux peuvent être entraînés par l’interaction de ces ondes plasmoniques de métaux et le champ électrique, généré par la lumière incidente. Ce phénomène modifie également la lumière en influençant son champ électrique et magnétique. L’ensemble du processus induit le couple optique qui peut donner un mouvement aux nanostructures métalliques. ^[2]

Configuration expérimentale [ modifier ]]

Basé sur le concept plasmonique, Liu et collègue ^[2] a démontré le moteur plasmonique à l’échelle nanométrique. Les nanostructures en forme de gammadion étaient constituées d’or (taille ~ 190x 190 nm) qui étaient symétriquement sandwich entre deux couches de dioxyde de silicium. L’ensemble du système a été fabriqué en utilisant la lithographie standard du faisceau d’électrons. Lorsque le système est illuminé d’une lumière polarisée linéairement, elle produit un couple qui entraîne ces minuscules nanostructures, appelées “nanomotors plasmoniques”. Le couple imposé résulte uniquement de la symétrie et de l’interaction de la structure gammadion avec la lumière incidente. Ces nanomotors semblent changer leurs directions de mouvements (dans le sens horaire et anti-horloge) en fonction de la longueur d’onde (plus longue et plus courte) du faisceau laser incident.

Applications [ modifier ]]

En raison de sa taille et de son énergie entraînée, le moteur plasmonique à l’échelle nanométrique pourrait fournir une force de rotation à l’échelle nanométrique, qui serait largement utilisée dans la conversion d’énergie et la biologie.

En biologie [ modifier ]]

La dynamique structurelle des processus cellulaires tels que la réplication et la transcription pourrait déterminer les propriétés mécaniques de l’ADN. Cependant, l’effet du couple doit être pris en compte lors de la mesure de la mécanique de l’ADN. Sous une faible tension, l’ADN se comporte comme une tige flexible isotrope; tandis que à des tensions plus élevées, le comportement des molécules sur et sous-mariées diffère. Lorsque le moteur plasmonique à l’échelle nanométrique est utilisé, la contrainte de torsion s’accumulera dans la molécule en tenant le cordon de rotor stationnaire en utilisant l’écoulement de fluide. En observant l’angle de torsion de l’ADN, les propriétés élastiques de l’ADN ont pu être obtenues. ^{[9] [dix]}

Le moteur à l’échelle nanométrique récemment élaborée pourrait aborder les limites des moulins légers antérieurs. Il génère un couple comparable, qui était en or et avait une taille beaucoup plus petite. À 100 nanomètres (un dixième de la taille des autres moteurs), il apporterait des applications possibles comme le déroulement de l’ADN dans les cellules vivantes. ^[11] Bien que le système soit sous l’enroulement contrôlé et le détente de l’ADN, le petit moteur pourrait être illuminé à différentes longueurs d’onde pour la manipulation in vivo.

Dans la conversion d’énergie [ modifier ]]

Le système microélectromécanique est différent du système électromécanique traditionnel. Pour le moteur plasmonique à l’échelle nanométrique, il pourrait récolter l’énergie lumineuse par des objets à l’échelle microscopique rotatifs. ^[douzième] De plus, un moteur plasmonique à l’échelle nanométrique pourrait relier les mécanismes de transduction en série (par exemple, convertir un signal thermique d’abord en un signal mécanique, puis en signal optique, et enfin en signal électrique). ^[13]

Ces moteurs pourraient donc s’appliquer à la récolte de lumière solaire dans les systèmes nanoscopiques en concevant plusieurs moteurs pour travailler à différentes fréquences de résonance et directions uniques. ^{[douzième] [14] [15] [16]} Et de telles structures moteurs multiples pourraient être utilisées pour acquérir un couple à partir d’une large gamme de longueurs d’onde au lieu d’une seule fréquence.

Limites [ modifier ]]

Dans le passé, les nanoparticules ont été tournées en exploitant le mouvement intrinsèque incident de la lumière, mais c’est la première fois pour induire la rotation d’une nanoparticule sans exploiter le moment angulaire intrinsèque de la lumière. ^[d’abord]

Parce que le moteur plasmonique à l’échelle nanométrique est une nouvelle technologie, plusieurs problèmes sont confrontés, comme le prix des coûts de développement plus élevés, une plus grande complexité et un temps de développement plus long ^[13] et les méthodes et les matériaux de Workhorse de la technologie du système électromécanique (NEMS) à l’échelle des nanomètres ne sont pas universellement bien adaptés à l’échelle nanométrique. Le moteur plasmonique à l’échelle nanométrique a également des limites de résistance et de flexibilité. ^[14]

Plans futurs [ modifier ]]

À l’avenir, les scientifiques accordent plus d’attention à la synthèse, l’efficacité des moulins légers. ^[d’abord] Des matériaux alternatifs pour les moteurs seront également développés en tant que substituts des matériaux coûteux – tels que l’or, le silicium, les nanotubes de carbone – utilisés au stade expérimental. La résistance et la flexibilité des moteurs plasmoniques à l’échelle nanométrique seront également améliorés.

Voir également [ modifier ]]

Les références [ modifier ]]