(Phys.org) - Les scientifiques ont démontré que les micro-engrenages en forme de moulinet flottant sur une surface liquide peuvent tourner à des vitesses allant jusqu'à 300 tr/min. lorsqu'il est éclairé par une LED ordinaire. Ce mouvement conduit par la lumière, qui survient parce que la lumière crée une petite différence de température et, ensuite, une différence de tension superficielle dans le fluide environnant, est environ cinq ordres de grandeur plus efficace que les autres mécanismes qui convertissent la lumière en travail. Comme l'effet ne dépend pas de la taille, les scientifiques s'attendent à ce que le système puisse être mis à l'échelle à la fois à l'échelle macro et à l'échelle nanométrique.

Les chercheurs, Claudio Maggi et coauteurs de l'Université de Rome, l'Institut italien de technologie de Gênes, et l'Institut de nanotechnologie NANOTEC-CNR à Rome, ont publié un article sur la nouvelle démonstration de la conversion lumière-travail dans un récent numéro de Communication Nature .

Dans leur étude, les scientifiques ont fabriqué les micro-engrenages par lithographie laser, les enrober d'une couche de carbone amorphe pour augmenter l'absorption de la lumière, et les a plongés dans un liquide. Ils ont ensuite déposé une petite goutte du liquide contenant l'engrenage sur une lame de verre de microscope et l'ont illuminée avec une LED. Alors que les anciens moteurs à lumière nécessitent généralement des faisceaux laser de haute puissance pour induire un mouvement, ici, la LED à grand champ pourrait induire un mouvement avec seulement quelques microwatts de puissance par équipement, correspondant à un 100, Efficacité de conversion lumière-travail 000 fois supérieure.

La raison de l'augmentation de l'efficacité est que le nouveau système fonctionne selon un mécanisme de conversion lumière-travail entièrement différent. Précédemment, des systèmes similaires se sont appuyés soit sur le rayonnement sous pression exercé par des faisceaux laser hautement focalisés, ou par thermophorèse, qui est la lente migration des particules solides induite par les gradients thermiques dans le fluide environnant. Pour réaliser la thermophorèse, la moitié de la particule est recouverte d'un revêtement absorbant la chaleur, de sorte que lorsqu'il est exposé à une forte illumination, la particule sera propulsée le long d'un gradient de température.

Dans le nouveau système, les moteurs sont entièrement recouverts d'un revêtement absorbant la chaleur, de sorte qu'ils sont pour la plupart uniformément chauffés. Cependant, les sommets intérieurs de la forme du moulinet de chaque moteur deviennent plus chauds que les extérieurs, qui génère un gradient de température asymétrique dans le fluide environnant. Étant donné que la tension superficielle diminue généralement avec la température, ce gradient de température, même aussi petit que quelques millikelvins, provoque un gradient de tension superficielle, ce qui signifie que les forces capillaires dans le fluide tirent inégalement sur les micro-engrenages. La traction inégale donne un couple net, provoquant la rotation rapide des micro-engrenages.

Comme l'expliquent les chercheurs, cet effet est très similaire à l'effet Marangoni, ce qui implique également un gradient de tension superficielle. Dans l'effet Marangoni, les liquides et les petits objets placés à la surface d'un fluide avec un gradient de tension superficielle se déplaceront de la région avec la faible tension superficielle vers la région avec la tension superficielle la plus élevée. Bien que des études antérieures aient utilisé des lasers hautement focalisés pour démontrer la propulsion Marangoni, cette étude marque la première fois qu'elle est réalisée avec un éclairage à grand champ incohérent, comme une LED ordinaire.

À l'avenir, ce mouvement efficace entraîné par la lumière pourrait être utilisé dans une variété d'applications à différentes échelles, des véhicules solaires miniatures aux nanomachines.

« Les véhicules solaires permettent le transport sur terre, l'eau et dans l'air en utilisant la lumière du soleil comme principale source d'énergie, " a dit Maggi Phys.org . « La conversion de la lumière en mouvement nécessite généralement quelques étapes de transformation entre différentes formes d'énergie. Ce sont généralement des véhicules électriques alimentés par des cellules photovoltaïques qui convertissent dans un premier temps la lumière du soleil en énergie électrique. Cette stratégie indirecte, cependant, implique un degré élevé de complexité qui impose de grandes limites à la miniaturisation des moteurs solaires à l'échelle micrométrique."

"D'autre part, la génération de propulsion à petite échelle est d'une importance cruciale pour le fonctionnement des micro et nanomachines au sein de ce qu'on appelle le laboratoire sur puce, " a déclaré Roberto Di Leonardo au Conseil national italien de la recherche, et le coordinateur de l'équipe. "Les futures recherches dans cette direction pourraient conduire au développement de micromachines capables de transporter des charges infimes, telles que des cellules individuelles, dans des appareils miniaturisés alimentés par la simple exposition au soleil."

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