光驅(qū)動(dòng)光效納米發(fā)動(dòng)機(jī)

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

很早以前科學(xué)家們就知道，光可以 用來驅(qū)動(dòng)納米尺度的物體.光子同時(shí)具有線動(dòng)量和角動(dòng)量，線動(dòng)量作用于物體會(huì)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(dòng)量則在光子被物體吸收或散射時(shí)產(chǎn)生機(jī)械扭力.獲得較大的光機(jī)械扭力在納米機(jī)械傳感器領(lǐng)域和單個(gè)生物分子監(jiān)控領(lǐng)域是相當(dāng)有價(jià)值的.但是非常不幸由于這些納米機(jī)械中廣泛使用的絕緣材料的光學(xué)常量太小，光-物相作用非常微弱，使這種機(jī)械扭力遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(qiáng)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(yīng)，光場會(huì)被這種共鳴增強(qiáng)從而提高光-物相互作用的效率.“surface plasmons”這個(gè)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(tái)灣學(xué)術(shù)界的譯法.表面電漿子的研究已有百年歷史, 在20世紀(jì)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(xué)現(xiàn)象.表面電漿子模式會(huì)局限在金屬表面附近，形成高度增強(qiáng)的近場(highly enhanced near-field).這種表面增強(qiáng)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(qiáng)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(xué)、生物檢測上，如單個(gè)分子檢測儀.

由張翔(音譯)領(lǐng)導(dǎo)的加州小組利用表面電漿子效應(yīng)制造了一個(gè)用光直接驅(qū)動(dòng)的納米電漿子馬達(dá).這個(gè)馬達(dá)為純金打造，由于表面電漿子效應(yīng)使光-物作用增強(qiáng)，這個(gè)直徑100 nm的馬達(dá)動(dòng)力非常強(qiáng)勁，帶動(dòng)了一個(gè)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(tái)納米馬達(dá)定速定向轉(zhuǎn)動(dòng).例如當(dāng)入射光波長為810 nm，輸入功率為1 mW時(shí)，硅盤以0.3 Hz的速度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；當(dāng)入射光波長為1 700 nm，輸入功率相同時(shí)，硅盤會(huì)以同樣的速度順時(shí)針旋轉(zhuǎn).

加州小組在論文中指出，這臺(tái)馬達(dá)的外形經(jīng)過了他們特別的設(shè)計(jì)，是決定這臺(tái)馬達(dá)如此強(qiáng)勁的關(guān)鍵所在.不同波長的光會(huì)作用于馬達(dá)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(huì)作用于馬達(dá)旋臂的外沿，使馬達(dá)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；波長為1 700 nm的光僅同臂的中部發(fā)生作用，使馬達(dá)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng).馬達(dá)對(duì)入射光速的角動(dòng)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(dòng)光源.

這臺(tái)馬達(dá)可以作為納米機(jī)械傳感器的理想動(dòng)力源，也可以用它提供的強(qiáng)勁動(dòng)力來彎曲或拉直DNA分子.加州小組還在論文中給出了一個(gè)很誘人的設(shè)想，如果將這個(gè)馬達(dá)加以改進(jìn)，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(dòng)機(jī)的多缸結(jié)構(gòu)，我們還可以把幾個(gè)電漿子馬達(dá)組合起來，以獲得更強(qiáng)大的動(dòng)力輸出”.

資料來源：Nature官方網(wǎng)站、臺(tái)灣師范大學(xué)網(wǎng)站等