研究人员已经开发出一种新的微型机器，可以将激光转化为动能。这些光动力机器可以自行组装，并可用于纳米尺度的微小货物操作，如纳米流体学和颗粒分选。

来自芝加哥大学的研究小组负责人Norbert F.Scherer说：“我们的工作致力于纳米科学界的一个长期目标，即创造能够在室温液体等常规环境下工作的自组装纳米机器。”

Scherer和他的同事在Optica中描述了新的纳米机器。这种机器是基于一种被称为光学物质的物质，在这种物质中，金属纳米颗粒是通过光而不是化学键结合在一起，这些原子构成了典型的物质。

“组装机器的能量和使它工作的动力都来自光，”舍勒说一旦激光被引入含有纳米颗粒的溶液中，整个过程就会自行发生。尽管用户不需要主动控制或指导结果，但这可以很容易地为各种应用定制机器。”

创造光学物质

在光学物质中，激光场在比光波长小得多的金属纳米粒子之间产生相互作用。这些相互作用导致粒子自组装成有序阵列。这与光捕获原理类似，光被用来固定和操纵粒子、生物分子和细胞。

当圆偏振光入射到纳米颗粒上时，可以看到从纳米颗粒（黄色）散射的场（蓝色）的旋转和轨道运动。散射光（蓝色）的旋转使纳米颗粒探针逆时针移动，从而进入齿轮附近的光阱。探测器粒子（此处未显示）在散射光（蓝色）运动的扫掠作用下绕轨道运动。整个齿轮的集体旋转并不明显，因为它发生在远比这里显示的光的飞秒时间尺度运动更长的时间尺度上。

在之前的研究中，研究人员发现，当光学物质暴露在圆偏振光下时，它会像一个刚体一样朝着与偏振旋转相反的方向旋转。换言之，当入射光以一种方式旋转时，光学物质阵列通过旋转另一种方式作出响应。这是“负扭矩”的表现。研究人员推测，基于这一新现象可以研制出一种机器。

在这项新的研究中，研究人员创造了一种光学物质机器，它的工作原理与基于联锁齿轮的机械机器非常相似。在这种机器中，当一个齿轮转动时，一个较小的联锁齿轮将朝相反的方向旋转。光学物质机器利用来自激光的圆偏振光，通过在光场中旋转来产生一个类似于大齿轮的纳米颗粒阵列。这个“光学物质齿轮”将圆偏振光转化为轨道动量，或角动量，影响附近的探针粒子以相反的方向环绕纳米颗粒阵列（齿轮）。

决定效率

研究人员基于这一设计制造了两台机器，使用波长为600纳米的激光和直径仅为150纳米的银纳米粒子。用纳米齿轮制造的纳米齿轮比用八个纳米齿轮制造的效率更高。

研究生兼第一作者约翰·帕克说：“我们相信，经过进一步改进，我们所展示的东西将在纳米流体学和粒子分类方面有用。”我们的模拟显示，一台由更多粒子组成的更大的机器应该能够向探测器施加更多的能量，因此这是我们期望追求的改进的一个方面。”

研究人员现在正在试验用更多的粒子或不同材料的粒子制造机器。这种机器的实用性也可以通过在纳米颗粒不可移动的地方创建有图案的齿轮来提高。这将使光学寻址和组合几个齿轮的能力，从而构成一个更复杂的机器。

参考文献：John Parker et al, An Optical Matter Machine: Angular Momentum Conversion by Collective Modes in Optically Bound Nanoparticle Arrays, Optica (2020). DOI: 10.1364/OPTICA.396147  。