Chercheurs de l'Université de technologie Chalmers, Suède, ont réussi à créer de minuscules véhicules alimentés uniquement par la lumière. En superposant une métasurface optique sur une particule microscopique, puis en utilisant une source lumineuse pour le contrôler, ils ont réussi à déplacer les minuscules véhicules de diverses manières complexes et précises, et même à les utiliser pour transporter d'autres objets.

La lumière a un pouvoir inhérent de déplacer des objets microscopiques - une propriété précédemment utilisée pour développer l'idée de recherche lauréate du prix Nobel de "pince à épiler optique, " qui utilisent un faisceau laser hautement focalisé pour contrôler et manœuvrer de minuscules particules avec une précision incroyable.

Maintenant, un groupe de recherche de l'Université de technologie Chalmers et de l'Université de Göteborg a montré comment même une lumière non focalisée peut être utilisée pour manœuvrer des particules microscopiques de manière contrôlée. Leurs recherches ont été récemment publiées dans la revue Nature Nanotechnologie .

Les chercheurs ont fabriqué des véhicules à une échelle de 10 micromètres de large et 1 micromètre d'épaisseur, soit un millième de millimètre. Les véhicules se composaient d'une minuscule particule, recouvert de quelque chose appelé « métasurface ». Les métasurfaces sont des arrangements ultra-minces de nanoparticules soigneusement conçues et ordonnées, adapté pour diriger la lumière de manière intéressante et inhabituelle. Ils offrent des possibilités fascinantes d'utilisation dans des composants avancés pour des applications optiques telles que des caméras, microscopes et affichages électroniques. D'habitude, ils ont tendance à être considérés comme des objets stationnaires, leur utilisation étant considérée comme la capacité de contrôler et d'affecter la lumière. Mais ici, les chercheurs l'ont regardé à l'envers, étudier comment les forces résultant du changement de quantité de mouvement de la lumière pourraient être utilisées pour contrôler la métasurface.

Comme deux boules de billard entrant en collision

Les chercheurs ont pris leurs véhicules microscopiques, qu'ils appelaient « métavéhicules », " et les posa au fond d'un plat d'eau, puis utilisé un laser faiblement focalisé pour diriger une onde plane de lumière sur eux. Par un processus purement mécanique - la chaleur générée par la lumière ne joue aucun rôle dans l'effet - les véhicules pourraient alors être déplacés selon une variété de modèles. En ajustant l'intensité et la polarisation de la lumière, les chercheurs réussissant à contrôler le mouvement et la vitesse des véhicules avec une grande précision, les naviguer dans des directions différentes et des schémas complexes, comme des chiffres de huit.

"Selon la troisième loi de Newton, pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée - cela signifie que lorsque la lumière frappe la méta-surface, et est dévié dans une nouvelle direction, la méta-surface est également repoussée dans l'autre sens. Imaginez jouer au billard, lorsque deux balles se heurtent et rebondissent dans des directions différentes. Dans ce cas, les photons et la méta surface sont comme ces deux boules de billard, " explique Mikael Käll, Professeur au Département de physique de l'Université de technologie Chalmers, co-auteur de l'article et responsable du projet de recherche.

Transporter d'autres petits objets

"Les métavéhicules étaient stables, et leur navigation était hautement prévisible et contrôlable. Avec des systèmes de rétroaction automatisés avancés, et un contrôle plus sophistiqué de l'intensité et de la polarisation de la source lumineuse, une navigation encore plus complexe serait possible, " explique Daniel Andrén, anciennement du Département de physique de Chalmers et auteur principal de l'étude.

Les chercheurs ont également expérimenté l'utilisation des métavéhicules comme transporteurs, pour pousser les petites particules autour du réservoir. Les métavéhicules se sont avérés capables de transporter facilement des objets, notamment une bille de polystyrène microscopique et une particule de levure à travers l'eau. Ils ont même réussi à pousser une particule de poussière 15 fois la taille du métavéhicule lui-même.

À l'heure actuelle, les applications pratiques de cette découverte sont peut-être loin. Mais la nature fondamentale de la recherche signifie que sa valeur n'est peut-être pas encore évidente.

"Dans l'exploration des forces optiques, il existe de nombreux effets intéressants qui ne sont pas encore entièrement compris. Ce ne sont pas les applications qui conduisent ce type de recherche, mais l'exploration des différentes possibilités. Dans un certain nombre d'étapes différentes à venir, vous ne savez jamais ce qui va arriver. Mais le fait que nous ayons montré comment les métavéhicules peuvent être utilisés comme transporteurs est l'application potentielle la plus prometteuse au départ, par exemple pour déplacer des particules à travers des solutions cellulaires, " explique Mikael Käll.

La recherche est présentée dans l'article "Microscopic Metavehicles Powered and Steered by Embedded Optical Metasurfaces" du journal Nature Nanotechnologie .