Наскоро групата на проф. Gu Fuxing под ръководството на академик Zhuang Songlin от Училището по оптоелектроника на Китайския университет изобрети технология за лазерно улавяне, базирана на ефекта на фототермичния шок, наречена Photothermal-Shock Tweezers, която реализира улавянето и произволната манипулация на микро- и нано-обекти на повърхността на твърдите тела и изследва нейните нано-роботични приложения. Автономни нанороботи с мощна тяга при условия на сух твърд контакт чрез фототермичен шок" беше публикуван на 11 ноември 2012 г., а резултатите бяха публикувани в списанието „Автономни нанороботи с мощна тяга при условия на сух твърд контакт чрез фототермичен шок". Автономни нанороботи с мощна тяга при условия на сух твърд контакт чрез фототермичен шок" беше публикуван на 24 ноември в Nature Communications. Д-р Gu Zhaoqi, Zhu Runlin и Shen Tianci бяха съавтори, а проф. Gu Fuxing беше съответният автор, докато други сътрудници включваха проф. Liu Xu от Технологичния университет в Хъбей и проф. Liu Jia от университета Auburn и академик Zhuang Songlin ръководи цялото изследване. Изследването е подкрепено от Националната природонаучна фондация на Китай и Шанхай. Очаква се технологията да проучи безпрецедентни приложения в различни области като нанопроизводството, биомедицината, космическото пространство и военните.
Системата с фототермични импулсни пинсети може безпроблемно да наследи роботиката в макроскопичния свят и да реализира сценарии на интелигентна роботизирана работа в микроскопичния свят. Екипът използва метален нанолист, комбиниран с разпознаване на изображения, дълбоко обучение, планиране на пътя и контрол на обратната връзка, за да реализира първия в света автономен наноробот с функция за почистване. Като разпознае чистотата на избрана зона, роботът ще повтори цикъла на почистване, докато достигне задоволително ниво на чистота.
Лазерното улавяне (улавяне) се смята за мощен инструмент за манипулиране на движението на обекти в наносвета, след като спечели Нобеловите награди за физика през 1997 г. и 2018 г. за широката гама от приложения в среди със суспендирани среди, като вакуум и течности, но остава предизвикателство върху твърди контактни повърхности. Изследователите са използвали импулсен светлинен източник за нагряване на микро- и нано-обект и абсорбираната енергия на светлинния импулс е моментално преобразувана в механично разширение, генерирайки изключително голямо моментно натоварване вътре в обекта, наречено фототермален шок (PS). Мигновеният ударен ефект произвежда сила, която далеч надвишава нормалния режим на вибрация, точно както моментната скорост на изхвърляне на змиите, които се хранят, далеч надвишава нормалната скорост на пълзене, така че може да преодолее трудното положение на микро-нано съпротивлението и да реализира движението в твърдата повърхност .
Схематична диаграма на теоремата за импулс-импулс, илюстрираща визуалното сравнение между хвърляне на змия и нормално пълзене.
Свойството за прихващане е в основата на технологията за лазерна манипулация, тъй като позволява движението на частицата да бъде овладяно чрез позиция на място, позволявайки произволен контрол на движението, вместо просто спиране при липса на контролирано задействане. Златните наножици в 532nm наносекундния импулс на действие на петна от гауссов тип ще се преместят към вътрешността на петното, докато центърът на нанопровода и центърът на петното съвпаднат с центъра на петното, което е типичен процес на улавяне . Чрез теоретичен анализ изследователите откриха физическия източник на движещата сила на фототермичния шок, която се нарича фототермична градиентна сила, тъй като изразът включва температурен градиент. При преместване на петното равновесието на разпределението на силата на фототермичния градиент се нарушава и нанотелта се движи отново към центъра на петното и като повтаря процеса през цялото време, наноничката се движи аксиално по целия път с петното. В допълнение, за нанопровода, уловен в центъра на петното, увеличаването на мощността на лазера ще доведе до притискане на краищата на нанопровода от по-голяма фототермична градиентна сила и извиване настрани, като по този начин се реализира странично движение. Това позволява произволно движение на нанопроводниците в двуизмерна равнина. Фигурата по-долу показва използването на множество нанопроводници от екипа за формиране на китайския йероглиф "冲" и английската дума "SHOCK".
Фототермални импулсни пинсети манипулират нанопроводници
Използвайки паладиеви нанолистове като шаси, изследователите построиха по-сложен и многофункционален наноробот, наречен HOUbot, поради приликата му с китайски подковообразен рак (Фигура 4а и видео). Роботът може да се движи свободно като кола и извършва по-висока степен на свобода и фини движения като бутане на главата, независимо люлеене на опашка и мушкане. Роботът е оборудван с полупроводникови нанопроводници, които могат да се използват за отчитане на влага in situ. Благодарение на относително голямата си повърхност, роботът е с висока товароносимост, с теоретични полезни товари от порядъка на милиграми (еквивалентни на масата на мравка). Чрез приемането на съществуващ макро-механичен дизайн за оборудване на допълнителни бордови компоненти или товари, HOUbot може да работи като макро-робот и е първият в света нано-робот, който може да изпълнява специфични задачи, използвайки традиционни механични средства.
Свързана схема
Изобретението на фототермалните пинсети даде възможност на лазерната манипулация да преодолее дилемата на междуфазовото съпротивление, допълвайки средата на приложение на светлинната манипулация и позволявайки на лазерите най-накрая да реализират способността да манипулират обекти произволно в микро-нано среда, сравнима с трите свята на земята, море и въздух (вакуум/газ, течности и твърди вещества). Физически, фокусът е върху преходната термоеластична динамика и трибологията, особено неразрушителните изследвания, които допълнително разкриват разбирането на механо-динамичните процеси в микроскопичната сфера. Технологията по принцип може да се използва във всеки диапазон на дължина на вълната и с всякакъв абсорбируем материал. В допълнение, чрез пространствена светлинна модулация и сътрудничество с множество роботи, клъстери от автономни нанороботи могат да бъдат реализирани за изпълнение на сложни задачи, които в момента са непостижими с конвенционални средства.
