Nedávno skupina profesora Gu Fuxinga pod vedením akademika Zhuanga Songlina na School of Optoelectronics of the University of China vynalezla technologii laserového zachycení založenou na efektu fototermálního šoku, nazvanou Photothermal-Shock Tweezers, která realizuje zachycení a libovolnou manipulaci. mikro- a nano-objektů na rozhraní pevných látek a zkoumá její nano-robotické aplikace. Autonomní nanoroboti se silným tahem za suchých pevných kontaktních podmínek pomocí fototermálního šoku" byla publikována 11. listopadu 2012 a výsledky byly publikovány v časopise "Autonomous Nanorobots with Powerful Thrust under Dry Solid-Contact Conditions by Photothermal Shock". Autonomous nanorobots se silným tahem v podmínkách suchého kontaktu s pevnou látkou pomocí fototermálního šoku“ byla zveřejněna 24. listopadu v Nature Communications. Dr. Gu Zhaoqi, Zhu Runlin a Shen Tianci byli spoluautory a profesor Gu Fuxing byl odpovídajícím autorem, zatímco mezi další spolupracovníky patřili prof. Liu Xu z Hebei University of Technology a prof. Liu Jia z Auburn University a akademik Na celý výzkum dohlížel Zhuang Songlin. Výzkum podpořila National Natural Science Foundation of China and Shanghai. Očekává se, že tato technologie prozkoumá bezprecedentní aplikace v různých oblastech, jako je nanovýroba, biomedicína, letectví a vojenství.
Systém fototermálních impulsních pinzet může bez problémů zdědit robotiku v makroskopickém světě a realizovat scénáře inteligentní robotické práce v mikroskopickém světě. Tým použil kovovou nanovrstvu v kombinaci s rozpoznáváním obrazu, hlubokým učením, plánováním cest a ovládáním zpětné vazby k realizaci prvního autonomního nanorobotu na světě s funkcí čištění. Tím, že robot rozpozná čistotu vybrané oblasti, bude opakovat čisticí cyklus, dokud nedosáhne uspokojivé úrovně čistoty.
Laser trapping (trapping) je chápán jako mocný nástroj pro manipulaci s pohybem objektů v nanosvětě, který získal Nobelovu cenu za fyziku v letech 1997 a 2018 za svou širokou škálu aplikací v prostředí se suspendovanými médii, jako je vakuum a kapaliny, ale na pevných kontaktních plochách to zůstává náročné. Výzkumníci použili pulzní světelný zdroj k zahřátí mikro- a nano-objektu a absorbovaná energie světelného pulzu se okamžitě přeměnila na mechanickou expanzi, čímž se uvnitř objektu vytvořila extrémně velká okamžitá zátěž, nazývaná fototermální šok (PS). Okamžitý šokový efekt vytváří sílu, která daleko převyšuje normální vibrační režim, stejně jako okamžitá rychlost výpadu krmení hadů daleko přesahuje normální rychlost plazení, takže může prolomit nesnáze mikro-nano odporu a realizovat pohyb na pevném rozhraní. .
Schematický diagram teorému impuls-hybnost, ilustrující vizuální srovnání mezi výpadem hada a normálním plazením.
Vlastnost zachycení je jádrem technologie laserové manipulace, protože umožňuje ovládnutí pohybu částice bodovou polohou, což umožňuje libovolnou kontrolu pohybu, spíše než pouhé zastavení při nedostatku řízeného ovládání. Zlaté nanodrátky v 532nm nanosekundovém pulzu bodové akce Gaussova typu se přesunou do vnitřku bodu, dokud střed nanodrátu a střed bodu nebudou v linii se středem bodu, což je typický proces zachycení . Prostřednictvím teoretické analýzy vědci našli fyzický zdroj hnací síly fototermálního šoku, která se nazývá fototermální gradientová síla, protože výraz zahrnuje teplotní gradient. Při pohybu skvrny se naruší rovnováha rozložení sil fototermálního gradientu a nanodrát se znovu posune směrem ke středu skvrny a opakováním procesu po celou dobu se nanodrát pohybuje axiálně celou dráhu s bodem. Navíc u nanodrátu zachyceného ve středu bodu způsobí zvýšení výkonu laseru, že konce nanodrátů budou stlačeny větší silou fototermického gradientu a ohnuty do stran, čímž dojde k bočnímu pohybu. To umožňuje libovolný pohyb nanodrátů ve dvourozměrné rovině. Obrázek níže ukazuje, jak tým používá více nanodrátů k vytvoření čínského znaku „冲“ a anglického slova „SHOCK“.
Fototermální impulsní pinzeta manipuluje s nanodrátky
Pomocí palladiových nanolistů jako podvozku vědci postavili složitější a všestrannější nanorobot, nazvaný HOUbot kvůli jeho podobnosti s čínským krabem podkovy (obrázek 4a a video). Robot se může volně pohybovat jako auto a vykonává vyšší stupeň volnosti a jemné pohyby, jako je tlačení hlavou, nezávislé houpání ocasem a šťouchání. Robot je vybaven polovodičovými nanodrátky, které lze použít pro in situ snímání vlhkosti. Díky své relativně velké ploše je robot vysoce zatížitelný, s teoretickými užitečnými zatíženími v řádu miligramů (ekvivalent hmotnosti mravence). Přijetím stávajícího makromechanického designu pro vybavení dalších palubních komponentů nebo nákladu může HOUbot fungovat jako makrorobot a je prvním nanorobotem na světě, který může provádět specifické úkoly pomocí tradičních mechanických prostředků.
Související schéma
Vynález fototermální pinzety umožnil laserové manipulaci prolomit dilema mezifázového odporu, doplnil aplikační prostředí manipulace se světlem a umožnil laserům konečně realizovat schopnost libovolně manipulovat s předměty v mikronano prostředí srovnatelném se třemi světy země, moře a vzduch (vakuum/plyn, kapaliny a pevné látky). Fyzikálně je středem zájmu transientní termoelastická dynamika a tribologie, zejména nedestruktivní studie, které dále odhalují porozumění mechanodynamickým procesům v mikroskopické oblasti. Technologie může být v zásadě použita v jakémkoli rozsahu vlnových délek a s jakýmkoliv absorbovatelným materiálem. Kromě toho lze díky prostorové modulaci světla a spolupráci mezi více roboty realizovat shluky autonomních nanorobotů, aby mohly plnit složité úkoly, které jsou v současnosti konvenčními prostředky nedosažitelné.
