For nylig har professor Gu Fuxings gruppe under ledelse af akademiker Zhuang Songlin ved School of Optoelectronics ved University of China opfundet en laserfangstteknologi baseret på den fototermiske stødeffekt, kaldet Photothermal-Shock Pincet, som realiserer indfangning og vilkårlig manipulation af mikro- og nanoobjekter i grænsefladen mellem faste stoffer og udforsker dens nano-robotapplikationer. Autonome nanorobotter med kraftig tryk under tørre faste kontaktforhold ved fototermisk stød" blev offentliggjort den 11. november 2012, og resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet "Autonomous Nanorobots with Powerful Thrust under Dry Solid-Contact Conditions by Photothermal Shock". Autonome nanorobotter med kraftig tryk under tørre faste kontaktforhold ved fototermisk stød" blev offentliggjort den 24. november i Nature Communications. Dr. Gu Zhaoqi, Zhu Runlin og Shen Tianci var medforfatterne, og prof. Gu Fuxing var den tilsvarende forfatter, mens andre samarbejdspartnere omfattede prof. Liu Xu fra Hebei University of Technology og prof. Liu Jia fra Auburn University og akademiker Zhuang Songlin overvågede hele forskningen. Forskningen blev støttet af National Natural Science Foundation i Kina og Shanghai. Teknologien forventes at udforske hidtil usete anvendelser inden for forskellige områder såsom nanofremstilling, biomedicin, rumfart og militær.
Det fototermiske impulspincetsystem kan problemfrit arve robotteknologi i den makroskopiske verden og realisere scenarier med intelligent robotarbejde i den mikroskopiske verden. Holdet brugte et metal nanoark, kombineret med billedgenkendelse, deep learning, stiplanlægning og feedbackkontrol til at realisere verdens første autonome nanorobot med rensefunktion. Ved at genkende renheden af et udvalgt område vil robotten gentage rengøringscyklussen, indtil den når et tilfredsstillende renhedsniveau.
Laser trapping (trapping) forstås som et kraftfuldt værktøj til at manipulere bevægelsen af objekter i nanoverdenen, efter at have vundet 1997 og 2018 Nobelpriserne i fysik for dets brede vifte af anvendelser i miljøer med suspenderede medier, såsom vakuum og væsker, men det forbliver udfordrende på faste kontaktflader. Forskerne brugte en pulseret lyskilde til at opvarme et mikro- og nanoobjekt, og den absorberede energi fra lysimpulsen blev øjeblikkeligt omdannet til mekanisk ekspansion, hvilket genererede en ekstremt stor øjeblikkelig belastning inde i objektet, kaldet et Photothermal Shock (PS). Den øjeblikkelige stødeffekt frembringer en kraft, der langt overstiger den normale vibrationstilstand, ligesom den øjeblikkelige udfaldshastighed for slanger, der fodrer, langt overstiger den normale kravlehastighed, så den kan bryde vanskeligheden med mikro-nano-modstand og realisere bevægelsen ved den solide grænseflade .
Skematisk diagram af impuls-momentum-sætningen, der illustrerer den visuelle sammenligning mellem en slanges udfald og en normal kravle.
Fangstegenskaben er kernen i lasermanipulationsteknologien, da den tillader partiklens bevægelse at blive mestret ved hjælp af punktposition, hvilket muliggør vilkårlig bevægelseskontrol, snarere end blot at stoppe ved mangel på kontrolleret aktivering. Guld nanotråde i 532 nm nanosekunders puls af Gaussisk-type plet-handling vil bevæge sig til indersiden af stedet, indtil midten af nanotråden og midten af stedet er på linje med midten af stedet, hvilket er en typisk indfangningsproces . Gennem teoretisk analyse fandt forskerne den fysiske kilde til den fototermiske støddrivkraft, som kaldes den fototermiske gradientkraft, fordi udtrykket omfatter en temperaturgradient. Når stedet flyttes, brydes ligevægten af den fototermiske gradientkraftfordeling, og nanotråden bevæger sig igen mod midten af stedet, og ved at gentage processen hele tiden, bevæger nanotråden sig aksialt hele vejen med stedet. For nanotråden, der er fanget i midten af stedet, vil en forøgelse af lasereffekten desuden bevirke, at nanotrådens ender bliver klemt af en større fototermisk gradientkraft og bøjet sideværts, hvorved der realiseres sideværts bevægelse. Dette muliggør vilkårlig bevægelse af nanotrådene i et todimensionalt plan. Figuren nedenfor viser holdets brug af flere nanotråde til at danne det kinesiske tegn "冲" og det engelske ord "SHOCK".
Fototermisk impulspincet manipulerer nanotråde
Ved at bruge palladium nanoplader som et chassis byggede forskerne en mere kompleks og alsidig nanorobot, kaldet HOUbot på grund af dens lighed med en kinesisk hesteskokrabbe (Figur 4a og video). Robotten er i stand til at bevæge sig frit som en bil, og udfører en højere grad af frihed og fine bevægelser såsom hovedskub, uafhængig halesving og poking. Robotten er udstyret med halvleder nanotråde, der kan bruges til in situ fugtregistrering. På grund af sin relativt store overflade er robotten meget belastbar med teoretiske nyttelaster i størrelsesordenen milligram (svarende til massen af en myre). Ved at vedtage et eksisterende makro-mekanisk design til at udstyre yderligere komponenter eller last om bord, kan HOUbot fungere som en makro-robot og er verdens første nano-robot, der kan udføre specifikke opgaver ved hjælp af traditionelle mekaniske midler.
Relateret skematisk
Opfindelsen af fototermisk pincet har gjort det muligt for lasermanipulation at bryde igennem grænseflademodstandsdilemmaet, hvilket komplementerer anvendelsesmiljøet for lysmanipulation og gør det muligt for lasere endelig at realisere evnen til at manipulere objekter vilkårligt i et mikro-nano-miljø, der kan sammenlignes med de tre verdener på jorden, hav og luft (vakuum/gas, væsker og faste stoffer). Fysisk er fokus på forbigående termoelastisk dynamik og tribologi, især ikke-destruktive studier, som yderligere afslører forståelsen af mekanodynamiske processer i det mikroskopiske område. Teknologien kan i princippet bruges i ethvert bølgelængdeområde og med ethvert absorberbart materiale. Derudover kan klynger af autonome nanorobotter gennem rumlig lysmodulering og multirobotsamarbejde realiseres til at udføre komplekse opgaver, som i øjeblikket er uopnåelige med konventionelle midler.
