Gần đây, nhóm của Giáo sư Gu Fuxing dưới sự lãnh đạo của viện sĩ Zhuang Songlin tại Trường Quang điện tử thuộc Đại học Trung Quốc đã phát minh ra công nghệ thu tia laser dựa trên hiệu ứng sốc quang nhiệt, được gọi là Nhíp Photothermal-Shock, thực hiện việc bắt và thao tác tùy ý. của các vật thể vi mô và nano ở bề mặt tiếp xúc của chất rắn và khám phá các ứng dụng robot nano của nó. Robot nano tự động với lực đẩy mạnh mẽ trong điều kiện tiếp xúc rắn khô bằng sốc quang nhiệt" được công bố vào ngày 11 tháng 11 năm 2012 và kết quả được công bố trên tạp chí "Robot nano tự động với lực đẩy mạnh mẽ trong điều kiện tiếp xúc rắn khô bằng sốc quang nhiệt". với lực đẩy mạnh mẽ trong điều kiện tiếp xúc rắn khô bằng sốc quang nhiệt" được công bố vào ngày 24 tháng 11 trên tạp chí Nature Communications. Tiến sĩ Gu Zhaoqi, Zhu Runlin và Shen Tianci là đồng tác giả, và Giáo sư Gu Fuxing là tác giả tương ứng, trong khi các cộng tác viên khác bao gồm Giáo sư Liu Xu từ Đại học Công nghệ Hà Bắc và Giáo sư Liu Jia từ Đại học Auburn, và Viện sĩ Zhuang Songlin giám sát toàn bộ nghiên cứu. Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Quỹ khoa học tự nhiên quốc gia Trung Quốc và Thượng Hải. Công nghệ này dự kiến sẽ khám phá những ứng dụng chưa từng có trong nhiều lĩnh vực khác nhau như sản xuất nano, y sinh, hàng không vũ trụ và quân sự.
Hệ thống nhíp xung quang nhiệt có thể kế thừa liền mạch robot trong thế giới vĩ mô và hiện thực hóa các kịch bản hoạt động của robot thông minh trong thế giới vi mô. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng tấm nano kim loại, kết hợp với nhận dạng hình ảnh, học sâu, lập kế hoạch đường đi và kiểm soát phản hồi để tạo ra robot nano tự động đầu tiên trên thế giới có chức năng làm sạch. Bằng cách nhận biết mức độ sạch sẽ của khu vực đã chọn, robot sẽ lặp lại chu trình làm sạch cho đến khi đạt mức độ sạch thỏa đáng.
Bẫy laser (bẫy) được hiểu là một công cụ mạnh mẽ để điều khiển chuyển động của các vật thể trong thế giới nano, từng đoạt giải Nobel Vật lý năm 1997 và 2018 nhờ phạm vi ứng dụng rộng rãi trong môi trường có môi trường lơ lửng, như chân không và chất lỏng, nhưng nó vẫn còn thách thức trên các bề mặt tiếp xúc rắn. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng nguồn sáng xung để làm nóng một vật thể vi mô và nano, đồng thời năng lượng hấp thụ của xung ánh sáng ngay lập tức được chuyển thành sự giãn nở cơ học, tạo ra một tải tức thời cực lớn bên trong vật thể, gọi là Sốc quang nhiệt (PS). Hiệu ứng sốc tức thời tạo ra một lực vượt xa chế độ rung thông thường, giống như tốc độ lao tức thời của rắn ăn vượt xa tốc độ bò thông thường, do đó nó có thể phá vỡ tình trạng khó khăn của lực cản micro-nano và nhận ra chuyển động ở giao diện rắn .
Sơ đồ nguyên lý của định lý xung-động lượng, minh họa sự so sánh trực quan giữa động tác lao của rắn và động tác bò bình thường.
Đặc tính bẫy là trọng tâm của công nghệ thao tác bằng laser, vì nó cho phép làm chủ chuyển động của hạt theo vị trí điểm, cho phép điều khiển chuyển động tùy ý, thay vì chỉ dừng lại khi thiếu khả năng truyền động được kiểm soát. Các dây nano vàng trong xung nano giây 532nm của hoạt động điểm kiểu Gaussian, sẽ di chuyển vào bên trong vết, cho đến khi tâm của dây nano và tâm của vết thẳng hàng với tâm của vết, đây là một quá trình bắt giữ điển hình . Thông qua phân tích lý thuyết, các nhà nghiên cứu đã tìm ra nguồn vật lý của lực truyền động sốc quang nhiệt, được gọi là lực gradient quang nhiệt vì biểu thức bao gồm gradient nhiệt độ. Khi di chuyển điểm, trạng thái cân bằng của phân bố lực gradient quang nhiệt bị phá vỡ và dây nano lại di chuyển về phía tâm của điểm và bằng cách lặp lại quá trình này mọi lúc, dây nano sẽ di chuyển theo trục dọc theo điểm. Ngoài ra, đối với dây nano được giữ ở trung tâm điểm, việc tăng công suất laser sẽ làm cho các đầu dây nano bị ép bởi lực gradient quang nhiệt lớn hơn và bị uốn cong sang một bên, do đó nhận ra chuyển động ngang. Điều này cho phép các dây nano chuyển động tùy ý trong mặt phẳng hai chiều. Hình bên dưới cho thấy nhóm sử dụng nhiều dây nano để tạo thành ký tự tiếng Trung “冲” và từ tiếng Anh “SHOCK”.
Nhíp xung quang nhiệt điều khiển dây nano
Sử dụng các tấm nano palladium làm khung, các nhà nghiên cứu đã chế tạo một robot nano phức tạp và linh hoạt hơn, được đặt tên là HOUbot vì nó giống với cua móng ngựa Trung Quốc (Hình 4a và video). Robot có thể di chuyển tự do giống như một chiếc ô tô và thực hiện mức độ tự do cao hơn cũng như các chuyển động tinh tế như đẩy đầu, vung đuôi độc lập và chọc. Robot được trang bị dây nano bán dẫn có thể được sử dụng để cảm biến độ ẩm tại chỗ. Do bề mặt tương đối lớn nên robot có khả năng chịu tải cao, với tải trọng lý thuyết ở mức miligam (tương đương với khối lượng của một con kiến). Bằng cách áp dụng thiết kế cơ khí vĩ mô hiện có để trang bị thêm các bộ phận hoặc hàng hóa trên tàu, HOUbot có thể hoạt động giống như một robot vĩ mô và là robot nano đầu tiên trên thế giới có thể thực hiện các nhiệm vụ cụ thể bằng các phương tiện cơ học truyền thống.
Sơ đồ liên quan
Việc phát minh ra nhíp quang nhiệt đã cho phép thao tác bằng tia laser vượt qua tình thế tiến thoái lưỡng nan về điện trở bề mặt, bổ sung cho môi trường ứng dụng thao tác ánh sáng và cuối cùng cho phép tia laser nhận ra khả năng điều khiển vật thể một cách tùy ý trong môi trường micro-nano có thể so sánh với ba thế giới trên đất liền, biển và không khí (chân không/khí, chất lỏng và chất rắn). Về mặt vật lý, trọng tâm là động lực học nhiệt đàn hồi nhất thời và ma sát, đặc biệt là các nghiên cứu không phá hủy, giúp tiết lộ thêm sự hiểu biết về các quá trình động cơ học trong lĩnh vực vi mô. Về nguyên tắc, công nghệ này có thể được sử dụng ở bất kỳ dải bước sóng nào và với bất kỳ vật liệu có khả năng hấp thụ nào. Ngoài ra, thông qua điều chế ánh sáng không gian và cộng tác nhiều robot, các cụm robot nano tự trị có thể được thực hiện để thực hiện các nhiệm vụ phức tạp mà các phương tiện thông thường hiện không thể đạt được.
