光学物质机：纳米机器将光转化为工作

基于光学物质，可以使用新机器移动和操纵微小颗粒。

研究人员已经开发出一种微型新机器，可以将激光转换为工作。这些光动力机器可以自我组装，并且可以用于微小货物的纳米级处理，以用于诸如纳米流体和颗粒分选的应用。

“我们的工作满足了纳米科学界的一个长期目标，即创建可在常规环境（例如室温液体）中执行工作的自组装纳米级机器，”芝加哥大学的研究小组负责人Norbert F. Scherer说。

研究人员创造了一种光学物质机器，其运转方式与机械机器非常相似，在机械机器中，如果转动一个齿轮，则较小的互锁齿轮将沿相反方向旋转（a）。光学物质机器（b）使用圆偏振光来创建纳米粒子阵列，该纳米粒子阵列通过在光场中旋转而像较大的齿轮一样起作用。这使得探针粒子（类似于第二个较小的齿轮）沿相反方向绕纳米粒子阵列旋转。

Scherer及其同事在 Optica（光学协会（OSA））期刊中对新型纳米机器进行了描述，以进行高影响力研究。这些机器基于一种称为光学物质的物质，其中金属纳米粒子通过光保持在一起，而不是将构成典型物质的原子保持在一起的化学键。

“组装机器的能量和使机器运转的动力都来自光线，” Scherer说。“一旦将激光引入包含纳米颗粒的溶液中，整个过程将自行发生。尽管用户不需要主动控制或指导结果，但可以很容易地做到这一点，以针对各种应用定制机器。”

产生光学物质

在光学问题上，激光场在金属纳米粒子之间产生相互作用，该相互作用远小于光的波长。这些相互作用导致粒子自组装成有序阵列。这与光捕获相似，光被用来固定和操纵粒子，生物分子和细胞。

该视频显示了七粒子光学物质齿轮的模拟。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）的自旋和轨道运动。散射光（蓝色）的旋转产生了纳米粒子探针的逆时针运动，该探针将进入齿轮附近的光阱。然后，通过散射光（蓝色）的运动扫掠，探针粒子（此处未显示）随之绕行。整个齿轮的集体旋转并不明显，因为它发生的时间比此处显示的飞秒时间尺度的运动要长得多。

在以前的工作中，研究人员发现，当光学物质暴露于圆偏振光时，它会像刚体一样在与偏振旋转相反的方向上旋转。换句话说，当入射光以一种方式旋转时，光学物质阵列会通过旋转另一种方式做出响应。这是“负转矩”的体现。研究人员推测，可以基于这种新现象开发机器。

在这项新工作中，研究人员创造了一种光学物质机器，其运转方式与基于互锁齿轮的机械机器非常相似。在这样的机器中，当转动一个齿轮时，较小的互锁齿轮将沿相反方向旋转。光学物质机器使用来自激光器的圆偏振光来创建纳米粒子阵列，该纳米粒子阵列通过在光学场中旋转而像较大的齿轮一样起作用。这种“光学齿轮”将圆偏振光转换成轨道或角动量，该动量会影响附近的探针粒子，使纳米粒子阵列（齿轮）沿相反方向旋转。

确定效率

研究人员基于这种设计制造了两台机器，它们使用波长为600纳米的激光，并在水中将直径仅为150纳米的纳米银切成条。他们发现，使用由八种纳米颗粒制成的齿轮比七种纳米颗粒齿轮可以生产出更高效率的机器，这表明可以通过构建不同的齿轮来改变机器的效率。

研究生和第一作者约翰·帕克（John Parker）表示：“我们相信，通过进一步完善，我们证明的结果将对纳米流体和颗粒分选有用。“我们的模拟表明，由更多颗粒组成的更大的机器应该能够对探头施加更大的能量，因此这是我们期望追求的一个精巧方面。”

研究人员现在正在试验制造更多颗粒或不同材料颗粒的机器。机器的实用性也可以通过在纳米颗粒不动的地方创建带图案的齿轮来提高。这将使得能够光学寻址并组合多个齿轮以制造更复杂的机器。

参考：“光学物质机器：光学结合纳米颗粒阵列中集体模式的角动量转换，由John Parker，Curtis Peterson，Yuval Yifat，Stuart Rice，Yijie Yan，Stephen Gray和Norbert Scherer，2020年10月8日， Optica。DOI：
10.1364 / OPTICA.396147