ساخت چرخ‌دنده‌های میکروسکوپی با نور لیزر؛ انقلابی در نانوتکنولوژی و پزشکی

تغییر پارادایم در مهندسی میکرو

بیش از سی سال بود که تلاش‌ها برای کوچک‌تر کردن موتورها و ماشین‌های مکانیکی به ابعاد کمتر از ۰.۱ میلی‌متر با چالش‌های جدی مواجه بود. اصلی‌ترین مشکل، پیچیدگی ساخت سیستم‌های انتقال نیروی فیزیکی مانند شفت و محور در چنین مقیاس‌های کوچکی بود. اما محققان سوئدی با کنار گذاشتن کامل اتصالات مکانیکی سنتی و جایگزینی آن‌ها با نور، این مانع بزرگ را از میان برداشته‌اند. این رویکرد نوین، یک تغییر پارادایم کامل در مهندسی مکانیک در مقیاس میکرو محسوب می‌شود.

عملکرد چرخ‌دنده‌های نوری

این فناوری پیشرفته از فرامواد نوری بهره می‌برد. دانشمندان با استفاده از تکنیک‌های استاندارد ساخت تراشه، چرخ‌دنده‌هایی از جنس سیلیکون تولید کرده‌اند که قطر آن‌ها تنها چند ده میکرومتر است؛ یعنی حتی کوچک‌تر از تار موی انسان. روی سطح این چرخ‌دنده‌ها، الگوهای بسیار ریزی از فرامواد حک شده است. زمانی که یک پرتو لیزر به این الگوها تابانده می‌شود، فرامواد نور را جذب کرده و آن را به نیروی حرکتی تبدیل می‌کنند که منجر به چرخش چرخ‌دنده می‌شود.

کنترل این سیستم نیز بسیار ساده و دقیق است. با تغییر شدت نور لیزر، می‌توان سرعت چرخش چرخ‌دنده‌ها را تنظیم کرد؛ به این صورت که با افزایش شدت نور، سرعت چرخش بیشتر و با کاهش آن، سرعت کمتر می‌شود. همچنین، با تغییر قطبش نور، می‌توان جهت چرخش چرخ‌دنده را معکوس کرد که این قابلیت، انعطاف‌پذیری بالایی در کاربردهای مختلف فراهم می‌آورد.

کاربردهای بالقوه در پزشکی و نانوتکنولوژی

با توجه به اینکه این چرخ‌دنده‌ها می‌توانند به اندازه سلول‌های انسان (حدود ۱۶ تا ۲۰ میکرومتر) کوچک باشند، پتانسیل آن‌ها در حوزه پزشکی بسیار گسترده است. محققان معتقدند که می‌توان از این میکروموتورها برای ساخت پمپ‌های بسیار ریزی استفاده کرد که در داخل بدن انسان برای تنظیم دقیق جریان خون یا تحویل هدفمند دارو به کار می‌روند. علاوه بر این، امکان استفاده از آن‌ها به عنوان دریچه‌های میکروسکوپی برای باز و بسته‌کردن کانال‌های سلولی نیز وجود دارد که می‌تواند در تحقیقات بیولوژیکی و درمان بیماری‌ها انقلابی ایجاد کند.

در مجموع، ساخت این میکروموتورهای نوری فصلی جدید را در دنیای نانوتکنولوژی و مهندسی میکرو می‌گشاید. این فناوری با حذف محدودیت‌های فیزیکی و استفاده از یک منبع انرژی پاک و قابل کنترل مانند نور، می‌تواند در ساخت ماشین‌هایی به کار رود که تا پیش از این تنها در فیلم‌های علمی-تخیلی قابل تصور بودند. یافته‌های این پژوهش مهم در نشریه معتبر نیچر منتشر شده است.