اختصاصی بسپار/ متاروتورهای نوری؛ چرخش قدرتمند در مقیاس میکروسکوپی با بازآرایی فوتونها
گروه ترجمه و تولید محتوا در بسپار/ایران پلیمر پژوهشی جدید نشان میدهد که میتوان با بهرهگیری هوشمندانه از نور، گشتاور بالایی برای بهچرخش درآوردن ریزساختارها در محیطهای آبی ایجاد کرد؛ دستاوردی که مسیر تازهای برای توسعه ریزرباتها، سامانههای ریزسیالی و ابزارهای زیستپزشکی میگشاید. در پژوهشی با معرفی «متاروتورهای نوری» (Light-driven Metarotors) نشان داده شده است که چگونه بازآرایی فوتون (Photon Recoil) میتواند به منبعی کارآمد برای تولید گشتاور نوری تبدیل شود.
پژوهشگران موفق به ساخت روتورهایی مبتنی بر فراسطوح نوری (Metasurfaces) شدهاند که قطر آنها تا ۱۰۰ میکرومتر میرسد و با وجود ابعاد به نسبت بزرگ، در آب بهصورت پایدار و کنترلپذیر میچرخند. ایده کلیدی این است که متاروتورها با انحراف نور لیزر کمتوان به زوایای بزرگ، تکانه زاویهای مداری نور را تقویت کرده و از طریق بازوهای بلند، گشتاور نوری قابلتوجهی ایجاد میکنند.
برخلاف بسیاری از سامانههای نوری پیشین که به نورهای قطبیده پیچیده یا ساختارهای سهبعدی دشوار نیاز داشتند، این متاروتورها میتوانند با پرتو لیزر ساده و خطی نیز کار کنند. طراحی متقارن چندگانهی فراشبکهها در پیرامون روتور باعث میشود سرعت چرخش یکنواخت و مستقل از زاویه باقی بماند؛ موضوعی که برای کاربردهای عملی اهمیت زیادی دارد.
یکی از نتایج جالب این مطالعه، توانایی هر متاروتور برای بهچرخش درآوردن صدها ذره غیرفعال در اطراف خود است. در آزمایشها، یک متاروتور با قطر ۶۰ میکرومتر توانست حدود ۲۰۰ ذره پلیاستایرنی با قطر ۷ میکرومتر را جذب کرده و همراه با خود بچرخاند. این کارکرد نشان میدهد که متاروتورها میتوانند بهعنوان همزنهای میکروسکوپی در ریزسیالات و حتی محیطهای زیستی عمل کنند.
تحلیلهای هیدرودینامیکی نیز نشان میدهد که اگرچه جریان سیال ایجادشده در اطراف روتور بسیار موضعی است (ویژگی ذاتی رژیم عدد رینولدز پایین)، اما انتقال مکانیکی گشتاور به ذرات مجاور همچنان بسیار موثر انجام میشود. همچنین اثرات گرمایش نوری بررسی شده و مشخص شده است که در شدتهای معمول کاری، افزایش دما محدود و قابلکنترل است.
جمعبندی پژوهش حاکی از آن است که متاروتورهای مبتنی بر فراسطوح، ترکیبی کمسابقه از ابعاد بزرگتر، گشتاور زیاد، ساخت مقیاسپذیر و کنترل نوری ساده را ارائه میدهند. این ویژگیها آنها را به گزینهای امیدبخش برای کاربردهایی مانند ریزپمپها، مخلوط کن ها، دریچههای ریزسیالی و حتی ابزارهای نوین در پزشکی تبدیل میکند؛ جایی که حرکت و کنترل دقیق در مقیاس سلولی اهمیت حیاتی دارد.
