Ένα εντυπωσιακό επίτευγμα έρχεται από το University of Gothenburg, όπου ερευνητές κατάφεραν να δημιουργήσουν γρανάζια τόσο μικρά ώστε να χωρούν μέσα σε μια ανθρώπινη τρίχα. Το πιο συναρπαστικό στοιχείο είναι ότι αυτά τα μικρογρανάζια δεν κινούνται με τον παραδοσιακό τρόπο, αλλά με τη δύναμη του φωτός. Η ανακάλυψη ανοίγει τον δρόμο για την ανάπτυξη μικροκινητήρων που στο μέλλον θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στην ιατρική σε κλίμακα κυττάρων.
Τα γρανάζια αποτελούν βασικό συστατικό των μηχανών, από τα ρολόγια και τα αυτοκίνητα μέχρι τα ρομπότ και τις ανεμογεννήτριες. Εδώ και δεκαετίες, οι επιστήμονες προσπαθούν να κατασκευάσουν όλο και μικρότερα γρανάζια για τη δημιουργία μικρομηχανών. Ωστόσο, η πρόοδος σταματούσε στα 0,1 χιλιοστά, καθώς ήταν αδύνατο να δημιουργηθούν οι απαραίτητοι μηχανισμοί μετάδοσης κίνησης σε μικρότερη κλίμακα.
Η ομάδα του University of Gothenburg έλυσε αυτό το πρόβλημα εγκαταλείποντας τα παραδοσιακά μηχανικά συστήματα και χρησιμοποιώντας λέιζερ για να κινήσουν τα γρανάζια απευθείας. Με τον τρόπο αυτό ξεπέρασαν το «φράγμα μεγέθους» και έδειξαν ότι είναι εφικτό να δημιουργηθούν οι μικρότεροι κινητήρες που έχουν κατασκευαστεί ποτέ πάνω σε μικροτσίπ.
Η καινοτομία στηρίζεται στα λεγόμενα οπτικά μεταϋλικά, δομές σε νανοκλίμακα που μπορούν να παγιδεύσουν και να κατευθύνουν το φως. Χάρη σε τεχνικές λιθογραφίας, τα μικροσκοπικά γρανάζια κατασκευάζονται από πυρίτιο απευθείας πάνω σε τσιπ και έχουν διάμετρο μόλις μερικές δεκάδες μικρόμετρα. Όταν μια δέσμη laser πέφτει πάνω στο μεταϋλικό, το γρανάζι αρχίζει να περιστρέφεται. Η ένταση της ακτίνας καθορίζει την ταχύτητα της κίνησης, ενώ η αλλαγή της πόλωσης του φωτός μπορεί να αντιστρέψει την κατεύθυνση.
Στην πράξη, αυτό σημαίνει ότι οι ερευνητές βρίσκονται ένα βήμα πριν από τη δημιουργία λειτουργικών μικροκινητήρων. Όπως εξηγεί ο Gan Wang, πρώτος συγγραφέας της μελέτης και ερευνητής στη φυσική μαλακής ύλης στο University of Gothenburg, τα φωτεινά γρανάζια δεν περιορίζονται μόνο στην περιστροφή. Μπορούν να μετατρέπουν την κίνηση σε ευθύγραμμη, να εκτελούν περιοδικές κινήσεις ή ακόμη και να ελέγχουν μικροσκοπικούς καθρέφτες που ανακατευθύνουν το φως.
Η δυνατότητα ενσωμάτωσης αυτών των μηχανισμών κατευθείαν σε μικροτσίπ και η τροφοδότησή τους αποκλειστικά με φως δημιουργεί εντελώς νέες προοπτικές. Το λέιζερ, σε αντίθεση με τα μηχανικά συστήματα, δεν απαιτεί φυσική επαφή με τη μηχανή και μπορεί να ελεγχθεί με ακρίβεια. Έτσι, οι μικροκινητήρες μπορούν να συνδυαστούν σε πολύπλοκα μικροσυστήματα χωρίς τους περιορισμούς που είχαν έως σήμερα.
Όπως σημειώνει ο Wang, πρόκειται για έναν εντελώς νέο τρόπο σκέψης γύρω από τη μηχανική σε μικροσκοπική κλίμακα. Με την αντικατάσταση των ογκωδών μηχανισμών σύνδεσης από το φως, γίνεται δυνατή η υπέρβαση του ορίου μεγέθους που κρατούσε πίσω την έρευνα για περισσότερα από τριάντα χρόνια.
Οι προοπτικές είναι συναρπαστικές. Τα μικρογρανάζια, με διάμετρο 16-20 μικρόμετρα, έχουν το ίδιο μέγεθος με πολλά ανθρώπινα κύτταρα. Αυτό σημαίνει ότι στο μέλλον μικρομηχανές θα μπορούσαν να λειτουργούν σε κλίμακα κυττάρου, κάτι που ανοίγει νέους δρόμους στην ιατρική. Ο Wang αναφέρει ενδεικτικά ότι οι μικροκινητήρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αντλίες μέσα στο ανθρώπινο σώμα, ρυθμίζοντας τη ροή υγρών ή λειτουργώντας ως βαλβίδες που ανοίγουν και κλείνουν κατά παραγγελία.
Επιπλέον, οι εφαρμογές δεν περιορίζονται στη βιοϊατρική. Η δυνατότητα ελέγχου του φωτός σε νανοκλίμακα μπορεί να αξιοποιηθεί σε εργαστηριακά συστήματα πάνω σε τσιπ (lab-on-a-chip), στη διαχείριση μικροσωματιδίων ή ακόμη και στη δημιουργία νέων οπτικών τεχνολογιών. Η σύζευξη φυσικής, μικροηλεκτρονικής και φωτονικής υπόσχεται να φέρει λύσεις που μέχρι σήμερα ανήκαν στη σφαίρα της επιστημονικής φαντασίας.
Το πιο αξιοσημείωτο είναι ότι όλη αυτή η τεχνολογία αναπτύσσεται με μεθόδους κατασκευής ήδη γνωστές στη βιομηχανία, όπως η λιθογραφία πυριτίου.
[via]
