Hiljuti leiutas Hiina ülikooli optoelektroonika kooli professor Gu Fuxingi rühm akadeemik Zhuang Songlini juhtimisel fototermilise šoki efektil põhineva laserhõivetehnoloogia, mida nimetatakse Photothermal-Shock pintsettideks, mis teostab püüdmist ja suvalist manipuleerimist. mikro- ja nanoobjekte tahkete ainete liideses ning uurib selle nano-robootika rakendusi. Autonoomsed nanorobotid võimsa tõukejõuga kuiva tahke kokkupuute tingimustes fototermilise šokiga" avaldati 11. novembril 2012 ja tulemused avaldati ajakirjas "Autonomous Nanorobots with Powerful Thrust under Dry Solid-Contact Conditions by Photothermal Shock". Autonomous nanorobots võimsa tõukejõuga kuivades tahke kontakti tingimustes fototermilise šoki tõttu" avaldati 24. novembril ajakirjas Nature Communications. Kaasautorid olid dr Gu Zhaoqi, Zhu Runlin ja Shen Tianci ning vastav autor prof Gu Fuxing, teiste kaastööliste hulka kuulusid prof Liu Xu Hebei tehnikaülikoolist ja prof Liu Jia Auburni ülikoolist ning akadeemik Zhuang Songlin juhendas kogu uurimistööd. Uuringut toetasid Hiina ja Shanghai riiklik loodusteaduste fond. Eeldatakse, et tehnoloogia uurib enneolematuid rakendusi erinevates valdkondades, nagu nanotootmine, biomeditsiin, lennundus ja sõjandus.
Fototermilise impulsi pintsettide süsteem võib sujuvalt pärida makroskoopilises maailmas robootika ja realiseerida mikroskoopilises maailmas intelligentse robotitöö stsenaariume. Meeskond kasutas metallist nanolehte koos pildituvastuse, sügava õppimise, tee planeerimise ja tagasiside juhtimisega, et realiseerida maailma esimene puhastusfunktsiooniga autonoomne nanorobot. Tuvastades valitud ala puhtuse, kordab robot puhastustsüklit, kuni saavutab rahuldava puhtuse taseme.
Laserpüüdmist (püüdmist) peetakse võimsaks vahendiks nanomaailmas objektide liikumisega manipuleerimiseks, kuna see on pälvinud 1997. ja 2018. aasta Nobeli füüsikaauhinnad selle laiaulatusliku kasutuse eest hõljuva keskkonnaga keskkondades, nagu vaakumid ja vedelikud, kuid tahketel kontaktpindadel on see endiselt keeruline. Teadlased kasutasid mikro- ja nanoobjekti soojendamiseks impulssvalgusallikat ning valgusimpulsi neeldunud energia muudeti silmapilkselt mehaaniliseks paisumiseks, tekitades objekti sees ülisuure hetkelise koormuse, mida nimetatakse fototermiliseks šokiks (PS). Hetkeline põrutusefekt tekitab jõu, mis ületab tunduvalt tavalist vibratsioonirežiimi, nagu ka toituvate madude hetkeline väljalangemiskiirus ületab tunduvalt normaalset roomamiskiirust, nii et see võib murda mikro-nanotakistust ja realiseerida liikumise tahkel liidesel. .
Impulss-impulss teoreemi skemaatiline diagramm, mis illustreerib visuaalset võrdlust mao väljalangemise ja tavalise roomamise vahel.
Püüdmisomadused on lasermanipulatsioonitehnoloogia keskmes, kuna see võimaldab osakeste liikumist juhtida punkti asukoha järgi, võimaldades suvalist liikumisjuhtimist, selle asemel, et peatuda lihtsalt kontrollitud käivitamise puudumisel. Kuldsed nanojuhtmed 532 nm nanosekundilise Gaussi-tüüpi punktiimpulsiga liiguvad punkti sisemusse, kuni nanojuhtme keskpunkt ja punkti keskpunkt on kohakuti täpi keskpunktiga, mis on tüüpiline püüdmisprotsess. . Teoreetilise analüüsi abil leidsid teadlased fototermilise šoki liikumapaneva jõu füüsilise allika, mida nimetatakse fototermilise gradiendi jõuks, kuna väljend sisaldab temperatuuri gradienti. Täpi liigutamisel katkeb fototermilise gradiendi jõu jaotuse tasakaal ja nanotraat liigub uuesti täpi keskpunkti poole ning protsessi kogu aeg korrates liigub nanotraat aksiaalselt kogu täpiga. Lisaks põhjustab täpi keskele jäädvustatud nanojuhtme puhul laseri võimsuse suurendamine nanojuhtme otste pigistamist suurema fototermilise gradiendi jõuga ja külgsuunas painutamist, realiseerides seega külgsuunalise liikumise. See võimaldab nanojuhtmete meelevaldset liikumist kahemõõtmelises tasapinnas. Alloleval joonisel on näidatud, kuidas meeskond kasutab mitut nanotraati hiina tähe "冲" ja ingliskeelse sõna "SHOCK" moodustamiseks.
Fototermilise impulsi pintsetid manipuleerivad nanojuhtmetega
Kasutades šassiina pallaadiumi nanolehti, ehitasid teadlased keerukama ja mitmekülgsema nanoroboti, mis sai nimeks HOUbot, kuna see sarnanes Hiina hobuserauakrabiga (joonis 4a ja video). Robot on võimeline liikuma vabalt nagu auto ning sooritab suuremat vabadust ja peeneid liigutusi nagu pea lükkamine, iseseisev sabakiikumine ja torkamine. Robot on varustatud pooljuht-nanojuhtmetega, mida saab kasutada in situ niiskuse tuvastamiseks. Tänu oma suhteliselt suurele pinnale on robot väga koormatav, teoreetilised kandevõimed on suurusjärgus milligrammid (vastab sipelga massile). Võttes kasutusele olemasoleva makromehaanilise konstruktsiooni, et varustada täiendavaid pardakomponente või lasti, saab HOUbot töötada nagu makrorobot ja see on maailma esimene nanorobot, mis suudab täita spetsiifilisi ülesandeid traditsiooniliste mehaaniliste vahenditega.
Seotud skeem
Fototermiliste pintsettide leiutamine on võimaldanud lasermanipulatsioonil läbi murda liidese takistuse dilemmast, täiendades valgusega manipuleerimise rakenduskeskkonda ja võimaldades laseritel lõpuks realiseerida võime objekte suvaliselt manipuleerida mikro-nanokeskkonnas, mis on võrreldav kolme maismaamaailmaga. meri ja õhk (vaakum/gaas, vedelikud ja tahked ained). Füüsiliselt keskendutakse mööduvale termoelastsele dünaamikale ja triboloogiale, eriti mittepurustavatele uuringutele, mis paljastavad veelgi arusaamist mikroskoopilises valdkonnas toimuvatest mehhano-dünaamilistest protsessidest. Tehnoloogiat saab põhimõtteliselt kasutada igas lainepikkuse vahemikus ja mis tahes neelduva materjaliga. Lisaks saab ruumilise valguse modulatsiooni ja mitme roboti koostöö abil realiseerida autonoomsete nanorobotite klastreid, et täita keerulisi ülesandeid, mis on praegu tavapäraste vahenditega saavutamatud.
