Récemment, le groupe du professeur Gu Fuxing, sous la direction de l'académicien Zhuang Songlin de l'École d'optoélectronique de l'Université de Chine, a inventé une technologie de capture laser basée sur l'effet de choc photothermique, appelée pince à choc photothermique, qui réalise la capture et la manipulation arbitraire. des micro et nano-objets à l'interface des solides et explore ses applications en nano-robotique. Nanorobots autonomes avec poussée puissante dans des conditions de contact solide sec par choc photothermique" a été publié le 11 novembre 2012, et les résultats ont été publiés dans la revue "Nanorobots autonomes avec poussée puissante dans des conditions de contact solide sec par choc photothermique". Nanorobots autonomes avec une poussée puissante dans des conditions de contact sec et solide par choc photothermique" a été publié le 24 novembre dans Nature Communications. Le Dr Gu Zhaoqi, Zhu Runlin et Shen Tianci étaient les co-auteurs, et le professeur Gu Fuxing était l'auteur correspondant, tandis que d'autres collaborateurs comprenaient le professeur Liu Xu de l'Université de technologie du Hebei et le professeur Liu Jia de l'Université d'Auburn, ainsi que l'académicien. Zhuang Songlin a supervisé toute la recherche. La recherche a été soutenue par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine et de Shanghai. Cette technologie devrait explorer des applications sans précédent dans divers domaines tels que la nanofabrication, la biomédecine, l'aérospatiale et l'armée.
Le système de pincettes à impulsion photothermique peut hériter de manière transparente de la robotique dans le monde macroscopique et réaliser des scénarios de travail robotique intelligent dans le monde microscopique. L'équipe a utilisé une nanofeuille de métal, combinée à la reconnaissance d'images, à l'apprentissage en profondeur, à la planification de chemins et au contrôle par rétroaction, pour réaliser le premier nanorobot autonome au monde doté d'une fonction de nettoyage. En reconnaissant la propreté d'une zone sélectionnée, le robot répétera le cycle de nettoyage jusqu'à atteindre un niveau de propreté satisfaisant.
Le piégeage laser (piégeage) est considéré comme un outil puissant pour manipuler le mouvement des objets dans le nanomonde, ayant remporté les prix Nobel de physique 1997 et 2018 pour sa large gamme d'applications dans des environnements contenant des milieux en suspension, tels que les vides et les liquides. mais cela reste difficile sur des surfaces de contact solides. Les chercheurs ont utilisé une source de lumière pulsée pour chauffer un micro et un nano-objet, et l'énergie absorbée de l'impulsion lumineuse a été instantanément convertie en expansion mécanique, générant une charge instantanée extrêmement importante à l'intérieur de l'objet, appelée choc photothermique (PS). L'effet de choc instantané produit une force qui dépasse de loin le mode de vibration normal, tout comme la vitesse de fente instantanée des serpents qui se nourrissent dépasse de loin la vitesse de rampement normale, de sorte qu'il peut briser la situation difficile de la micro-nano résistance et réaliser le mouvement à l'interface solide. .
Diagramme schématique du théorème impulsion-impulsion, illustrant la comparaison visuelle entre la fente d'un serpent et une exploration normale.
La propriété de piégeage est au cœur de la technologie de manipulation laser, car elle permet de maîtriser le mouvement de la particule par position ponctuelle, permettant ainsi un contrôle arbitraire du mouvement, plutôt que de simplement s'arrêter faute d'actionnement contrôlé. Les nanofils d'or dans l'impulsion nanoseconde de 532 nm d'une action ponctuelle de type gaussien se déplaceront vers l'intérieur du point, jusqu'à ce que le centre du nanofil et le centre du point soient alignés avec le centre du point, ce qui est un processus de capture typique. . Grâce à une analyse théorique, les chercheurs ont découvert la source physique de la force motrice du choc photothermique, appelée force de gradient photothermique car l’expression inclut un gradient de température. Lors du déplacement du spot, l'équilibre de la répartition des forces du gradient photothermique est rompu et le nanofil se déplace vers le centre du spot, et en répétant le processus tout le temps, le nanofil se déplace axialement tout le long du spot. De plus, pour le nanofil capturé au centre du spot, l’augmentation de la puissance du laser entraînera la compression des extrémités du nanofil par une force de gradient photothermique plus importante et leur courbure latérale, réalisant ainsi un mouvement latéral. Cela permet un mouvement arbitraire des nanofils dans un plan bidimensionnel. La figure ci-dessous montre l'utilisation par l'équipe de plusieurs nanofils pour former le caractère chinois « 冲 » et le mot anglais « SHOCK ».
Des pincettes à impulsion photothermique manipulent des nanofils
En utilisant des nanofeuilles de palladium comme châssis, les chercheurs ont construit un nanorobot plus complexe et plus polyvalent, baptisé HOUbot en raison de sa ressemblance avec un limule chinois (Figure 4a et vidéo). Le robot est capable de se déplacer librement comme une voiture et effectue un degré de liberté plus élevé et des mouvements fins tels que pousser la tête, balancer indépendamment la queue et pousser. Le robot est équipé de nanofils semi-conducteurs qui peuvent être utilisés pour la détection d'humidité in situ. En raison de sa surface relativement grande, le robot est très chargeable, avec des charges utiles théoriques de l'ordre du milligramme (équivalent à la masse d'une fourmi). En adoptant une conception macromécanique existante pour équiper des composants ou des marchandises supplémentaires à bord, HOUbot peut fonctionner comme un macro-robot et est le premier nano-robot au monde capable d'effectuer des tâches spécifiques à l'aide de moyens mécaniques traditionnels.
Schéma associé
L'invention des pincettes photothermiques a permis à la manipulation laser de surmonter le dilemme de la résistance interfaciale, complétant l'environnement d'application de la manipulation de la lumière et permettant aux lasers de réaliser enfin la capacité de manipuler des objets arbitrairement dans un environnement micro-nano comparable aux trois mondes terrestres, mer et air (vide/gaz, liquides et solides). Sur le plan physique, l'accent est mis sur la dynamique thermoélastique transitoire et la tribologie, en particulier les études non destructives, qui révèlent davantage la compréhension des processus mécanodynamiques dans le domaine microscopique. La technologie peut en principe être utilisée dans n’importe quelle gamme de longueurs d’onde et avec n’importe quel matériau résorbable. De plus, grâce à la modulation spatiale de la lumière et à la collaboration multi-robots, des groupes de nanorobots autonomes peuvent être créés pour effectuer des tâches complexes actuellement inaccessibles par des moyens conventionnels.
