30-летний барьер пал: учёные создали мотор, который ломает законы микромеханики

Исследователи Гётеборгского университета представили «самый маленький в истории мотор на чипе» — настолько миниатюрный, что он помещается «внутри человеческого волоса». Команда преодолела многолетний барьер в микро-машиностроении за счёт световых шестерёнок: вместо традиционных механических передач здесь используется лазерный свет.

Классические шестерни — основа часов, автомобилей, роботов и ветрогенераторов — инженеры давно пытаются уменьшить вместе с машинами. Но больше 30 лет прогресс упирался в нижнюю планку около 0,1 мм: сделать полноценные механические приводы ещё меньше было практически невозможно. Новый подход обходит это ограничение: громоздкие муфты и валы заменили на свет, который приводит микрошестерни в движение.

Шестерни из диоксида кремния с нанесённым прямо на кристалле оптическим метаматериалом изготовили непосредственно на микрочипе. Лазер попадает на этот наноструктурированный слой и заставляет колесо вращаться. Управление простое и точное: скорость задаётся интенсивностью света, а направление вращения мгновенно меняется переключением поляризации. Контактные соединения не нужны, поэтому систему легко масштабировать и встраивать в сложные узлы. «Это принципиально новый взгляд на микромеханику. Заменив громоздкие муфты светом, мы наконец снимаем размерные ограничения», — говорит первый автор работы Ган Ван из Гётеборгского университета.

Исследователи собрали полноценную передачу, где одна светоприводная шестерня запускает цепочку из нескольких колёс. Микромеханизм способен преобразовывать вращение в поступательное движение, выполнять периодические колебания и управлять микрозеркалами для отклонения светового пучка. Диаметр каждой шестерни — около 0,016 мм (16 микрометров), то есть сопоставим с размером клетки.

Перспективы применения — от оптики до биомедицины. В будущем такие микромоторы можно будет интегрировать в лаборатории-на-чипе, использовать для манипулирования частицами и как миниатюрные насосы или клапаны внутри организма — для точной регулировки потоков жидкостей. «Мы уже смотрим, как они ведут себя в роли клапанов, которые открываются и закрываются», — добавляет Ван. Пока это прототип, и до внедрения в реальные устройства пройдёт ещё несколько лет, но работа задаёт новую траекторию для микро- и нано-машин.

Результаты опубликованы в журнале Nature Communications, пресс-релиз датирован 18 сентября.