光驅(qū)動光效納米發(fā)動機

2010年7月4日加州大學伯克利分校的五名物理學家(Ming Liu, Thomas Zentgraf, Yongmin Liu, Guy Bartal,Xiang Zhang)在《自然》雜志納米科技分冊上發(fā)表題為《光驅(qū)動電漿子馬達》( Light-driven nanoscale plasmonic motors)論文.在論文中該小組稱，這種用光直接驅(qū)動的馬達可以帶動比它大400倍的圓盤.這項技術(shù)還可以用于驅(qū)動如DNA分子之類的超小型物體.如封面主圖所示，這個納米馬達的形狀像個風車，有4個旋翼，可以用光驅(qū)動它順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，該小組給它起了個名字叫“光車”(light mill).

很早以前科學家們就知道，光可以 用來驅(qū)動納米尺度的物體.光子同時具有線動量和角動量，線動量作用于物體會產(chǎn)生光壓，利用它可以造出捕捉原子的激光鑷子和激光致冷裝置；光子具有的角動量則在光子被物體吸收或散射時產(chǎn)生機械扭力.獲得較大的光機械扭力在納米機械傳感器領(lǐng)域和單個生物分子監(jiān)控領(lǐng)域是相當有價值的.但是非常不幸由于這些納米機械中廣泛使用的絕緣材料的光學常量太小，光-物相作用非常微弱，使這種機械扭力遠遠不能滿足需要.

近年來研究人員發(fā)現(xiàn)可以通過金屬表面電子的集體振蕩來增強光-物相互作用，這種在光作用下的金屬表面電子的集體振蕩被稱做“表面電漿子”( surface plasmons)效應，光場會被這種共鳴增強從而提高光-物相互作用的效率.“surface plasmons”這個詞，國內(nèi)有多種譯法，趙凱華先生將之譯為“表面漿子”，還有譯作“表面等離激元”，本文采用的是臺灣學術(shù)界的譯法.表面電漿子的研究已有百年歷史, 在20世紀初，就已經(jīng)在金屬光柵的反射光譜中觀察到表面電漿子相關(guān)的光學現(xiàn)象.表面電漿子模式會局限在金屬表面附近，形成高度增強的近場(highly enhanced near-field).這種表面增強的特性已經(jīng)被利用于各類表面光譜的測量上，如表面電漿子增強拉曼光譜儀(SERS).表面電漿子共振的高靈敏度，也被廣泛利用于化學、生物檢測上，如單個分子檢測儀.

由張翔(音譯)領(lǐng)導的加州小組利用表面電漿子效應制造了一個用光直接驅(qū)動的納米電漿子馬達.這個馬達為純金打造，由于表面電漿子效應使光-物作用增強，這個直徑100 nm的馬達動力非常強勁，帶動了一個比它大400倍的直徑為2 μm的硅質(zhì)圓盤.該小組通過調(diào)節(jié)入射光的波長可以使這臺納米馬達定速定向轉(zhuǎn)動.例如當入射光波長為810 nm，輸入功率為1 mW時，硅盤以0.3 Hz的速度逆時針旋轉(zhuǎn)；當入射光波長為1 700 nm，輸入功率相同時，硅盤會以同樣的速度順時針旋轉(zhuǎn).

加州小組在論文中指出，這臺馬達的外形經(jīng)過了他們特別的設(shè)計，是決定這臺馬達如此強勁的關(guān)鍵所在.不同波長的光會作用于馬達不同的部位，產(chǎn)生不同的旋轉(zhuǎn)方式.如波長為810 nm的光會作用于馬達旋臂的外沿，使馬達逆時針轉(zhuǎn)動；波長為1 700 nm的光僅同臂的中部發(fā)生作用，使馬達順時針轉(zhuǎn)動.馬達對入射光速的角動量沒有特別的要求，這意味著入射光用不著經(jīng)過特殊的偏振處理，任何光源無論是偏振光源還是非偏振光源都可以作為驅(qū)動光源.

這臺馬達可以作為納米機械傳感器的理想動力源，也可以用它提供的強勁動力來彎曲或拉直DNA分子.加州小組還在論文中給出了一個很誘人的設(shè)想，如果將這個馬達加以改進，使它能夠有更寬的工作光譜，它還可以用來構(gòu)造一種高效的太陽能轉(zhuǎn)換器.研究組成員劉明(音譯)還指出“如同汽車發(fā)動機的多缸結(jié)構(gòu)，我們還可以把幾個電漿子馬達組合起來，以獲得更強大的動力輸出”.

資料來源：Nature官方網(wǎng)站、臺灣師范大學網(wǎng)站等