Opto-thermoelectric microswimmers
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광 열전 마이크로 스위 머
작성자 : Thamarasee Jeewandara, Phys.org SEPTEMBER 4, 2020 FEATURE
광열 전식 마이크로 스위 머의 광학 구동 및 조향을위한 개념 설계. (a) 라이트 필드 아래에서 PS / Au Janus 입자는 미리 정의 된 경로를 따르기 위해 수영 및 회전하도록 설정됩니다. (b) Janus 입자에 빛을 조사하면 PS와 Au의 비대칭 흡수로 인해 입자 표면에 PS 측에서 Au 측을 가리키는 온도 구배 ∇T가 생성됩니다. (c) Janus 입자가 0.2mM CTAC 용액에 분산되면 열전 장이 유도되어 온도 구배를 따라 Janus 입자를 구동합니다. 흰색 "+"기호는 양전하를 띤 표면을 나타냅니다. b, c에서는 초점이 맞지 않는 레이저 빔 아래의 비대칭 가열 및 열전 장이 X-Z 평면에 표시됩니다. (d) XY 평면에서 회전하도록 설정된 경우 (적갈색 화살표로 표시된 것처럼) 야누스 입자의 개략도 및 e 비대칭 가열 (점선 원으로 둘러싸인 녹색 영역으로 표시). d, e에서 디 포커스 된 레이저 빔이 꺼집니다. 출처 : Light : Science & Applications, doi : 10.1038 / s41377-020-00378-5
최근 보고서에서 Xiaolei Peng과 미국 텍사스 대학교와 중국 칭화 대학교의 재료 과학 및 공학 과학자 팀은 대장균 (E. coli) 의 운동 행동에서 영감을받은 광 열전 마이크로 스위 머를 개발했습니다 . . 그들은 입자 의 광열 반응에서 발생하는 자립 전기장에 의해 구동되는 유전체 금 Janus 입자를 사용하여 마이크로 수영을 설계했습니다. 그들이 레이저 빔으로 구조물을 비추었을 때, 야누스 입자는 입자 표면을 따라 광학적으로 생성 된 온도 구배를 보였고, 광열 전장을 형성하여 스스로를 추진했습니다. 팀은 입자의 방향을 기반으로 마이크로 수영 선수의 수영 방향을 발견했습니다. 그들은 집중된 레이저 빔을 사용하여 온도 변화로 유도 된 전기장 에 의존하는 마이크로 스위 머의 탐색 방향을 이해하기위한 새로운 광 기계적 접근 방식을 제안했습니다 . 설정에서 두 번째 회전 레이저 빔 을 타이밍하여 입자를 원하는 방향으로 배치하여 수영 방향을 효율적으로 제어합니다. 암시 야 광학 이미징과 피드백 제어 알고리즘을 사용하여 과학자들은 자동화 된 마이크로 수영을 촉진했습니다. 추진. 광열 전식 마이크로 스위 머는 콜로이드 시스템, 표적 약물 전달 및 생체 의학 감지에 적용 할 수 있습니다. 이 연구는 현재 Nature Light : Science & Applications에 발표되었습니다 . 마이크로 수영 마이크로 스위 머는 외부 화학, 음향 또는 전자기 에너지를 수영 운동으로 변환 할 수있는 마이크로 머신의 한 종류입니다 . 이러한 기계는 표적 약물 전달 부터 정밀 나노 수술 및 진단 감지에 이르기까지 다양한 생체 의학 응용 분야에 사용될 수 있습니다 . 이 작업에서 Peng et al. 광열 적으로 생성 된 전기장 에서 Janus 입자를 기반으로 한 전광 마이크로 스위 머를 사용하여 대장균 세포 의 '런 앤 텀블'운동을 모방 한 광 열전 마이크로 스위 머 를 구축했습니다 .. 작용 메커니즘에서 레이저 빔 조사 하에서 야누스 입자의 비대칭 광 흡수는 입자를 따라 추진하는 광열 전장에 대한 자체 생성 온도 구배를 일으켰습니다. 과학자들은 두 개의 레이저 빔을 사용하여 프로세스를 진행했으며, 두 번째 초점을 맞춘 레이저 빔은 광학 가열 하에서 개별 야누스 입자의 평면 회전을 트리거했습니다. 팀 인해 안정적인 입자 회전을 달성 열전 힘 , 광학 힘 과 스톡스 항력 설정한다. Peng et al. 실험과 이론 및 시뮬레이션을 결합하여 작동 메커니즘을 추가로 조사했습니다.
0.2 mM CTAC (cetyltrimethylammonium chloride) 용액에서 수영하는 2.1 μm PS / Au Janus 입자. 크레딧 : Light : Science & Applications, doi : 10.1038 / s41377-020-00378-5
컨셉과 디자인 광자에서 포논으로 (빛에서 소리로) 에너지 변환을 촉진하기 위해 팀은 폴리스티렌 (PS) 비드 의 표면에 얇은 금 (Au) 층을 반 코팅하여 광 열전 수영자를 개발했습니다 . 빛을 조사하면 PS와 Au 사이의 흡수 차이가 PS / Au Janus 입자 표면에 온도 구배를 생성했습니다. Peng et al. 야누스 입자를 수용액에 분산시켜 열에너지 를 변환기계적 에너지에. 열전 장에 의해 구동되고 레이저 빔에 의해 조사 될 때 Janus 입자는 PS에서 Au 방향으로 이동하여 수영 상태를 보여줍니다. 그러나 열 변동으로 인해 Janus 입자의 방향이 변경되어 이동 중에 경로에서 멀어 질 수 있습니다. 목표 코스를 유지하기 위해 과학자들은 초점이 흐려진 레이저 빔을 끄고 초점이 맞춰진 레이저 빔을 사용하여 방향을 바꾸기 위해 야누스 입자를 회전하고 트랩했습니다. 목표 방향에 도달하면 초점을 맞춘 레이저 빔을 끄고 야누스 입자를 초점이 흐려진 레이저 빔으로 되돌려 다시 수영 상태로 돌아 왔습니다. 이 2 단계 스위칭 프로세스는 다양한 기능을 위해 마이크로 스위 머를 능동적으로 탐색 할 수있는 최상의 설계를 제공했습니다.
초점이 흐려진 레이저 빔 아래에서 PS / Au Janus 입자의 광 열전 수영. (a) 수영 메커니즘의 개략도. 속도는 PS 반구에서 Au 코팅 된 반구로 향합니다. (b) 5 µm PS / Au Janus 입자에 대한 광학 파워의 함수로서 수영 속도. 31 µm의 빔 크기를 가진 660 nm 레이저 빔이 수영을 구동하기 위해 적용되었습니다. (c) 헤엄 치는 2.1 µm PS / Au 입자의 시간 분해 이미지. 31µm의 빔 크기와 32mW의 파워를 가진 1064nm 레이저 빔이 수영을 구동하기 위해 적용되었습니다. (d) 2.1 µm PS / Au Janus 입자에 대한 광학 파워의 함수로서 수영 속도. 두 개의 다른 레이저 빔, 즉 빔 크기가 45μm 인 1064nm 레이저 빔과 빔 크기가 45μm 인 660nm 레이저 빔이 수영을 구동하기 위해 적용되었습니다. b의 삽입, d는 초점이 흐려진 레이저 빔 아래에서 수영하도록 구동되는 PS / Au Janus 입자를 보여줍니다. 앞서 언급 한 모든 빔 크기는 실험 측정을 통해 얻은 것입니다. 크레딧 : Light : Science & Applications, doi : 10.1038 / s41377-020-00378-5
광 열전 수영 및 방향 제어 Peng et al. 광 열전 마이크로 스위 머의 방향성 운동을 위해 초점이 흐려진 레이저 빔을 사용하여 야누스 입자에 대한 "에너지 풀"을 달성했습니다. 그들은 자체 생성 된 온도 구배를 따르는 움직임을 자기 열 영동이라고 명명했습니다. cetyltrimethylammonium chloride 의 주변 용액에서(CTAC), 자기 열 영동은 입자의 특징적인 움직임을 가능하게하는 열전 효과에서 발생했습니다. 팀은 유체 흐름을 안정화하고 Janus 입자의 방향성 수송을 촉진하기 위해 실험 설정의 챔버 두께를 줄일 수 있습니다. 야누스 입자의 방향은 열 변동을 통해 무작위로 변경 될 수 있기 때문에 팀은 두 번째 초점을 맞춘 레이저 빔을 사용하여 입자 회전을 달성하여 수영 방향을 효율적으로 탐색했습니다. 그들은 레이저 빔을 전환하여 회전하는 야누스 입자를 정량적으로 분석하고 실시간 위치와 방향 데이터를 추출함으로써이를 달성했습니다. 레이저 출력이 증가하면 입자 회전도 증가했지만 레이저 출력이 계속 증가하면 야누스 입자에 강한 열 효과와 열 손상이 발생했습니다. 회전 속도는 입자 크기에 따라 다릅니다. 열 전력을 이해하기 위해 Peng et al. PS / Au Janus 입자 표면의 온도 분포를 시뮬레이션했습니다. 그런 다음 열 전력과 광학적 힘을 계산하여 회전 역학을 이해했습니다. 팀은 야누스 입자의 자체 정렬 동작을 이해하기 위해 추가 조사를 수행했습니다. 집중된 레이저 빔으로 PS / Au Janus 입자의 방향 제어. (a) 구성 및 (b) X–Z 평면에서 2.7 µm PS / Au Janus 입자의 해당 암시 야 이미지. (c) 구성 및 (d) X-Z 평면에서 회전하는 2.7 µm PS / Au Janus 입자의 해당 암시 야 이미지. (e) 2.7 µm PS / Au Janus 입자의 회전에 대한 시간 분해 암시 야 이미지. 삽입 된 반 청록색, 반 금색 입자는 해당 구성을 나타내고 삽입 된 적갈색 화살표는 방향을 나타냅니다. 삽입 된 녹색 점은 레이저 빔 (파장 532nm)을 나타냅니다. (f) 2.7 µm Janus 입자 중심의 시간 함수로서의 변위. 빔의 중심이 좌표의 원점으로 설정됩니다. 피팅 사인 곡선은 원형 회전을 나타냅니다. (g) 2.7 µm Janus 입자의 방향 진화. 적합한 톱니파는 방향의 일관된 조향을 나타냅니다. (h) 2.7 µm PS / Au Janus 입자에 대한 광학 파워의 함수로서의 회전 속도. a–d에서 자유 야누스 입자의 경우, Au 코팅 된 부분이 중력 방향과 정렬되는 경향이 있기 때문에 암시 야 광학 이미지에서 입자 반구의 경계가 관찰되지 않았습니다. 대조적으로 야누스 입자의 면내 회전이 시작되었을 때 PS-Au 인터페이스는 열 전력과 광학적 힘의 조정 효과로 인해 기판에 수직이되었습니다. 암시 야 광학 이미지에서 비대칭 고리가 관찰되었으며, 더 강한 광학 산란으로 인해 Au 코팅에 해당하는 더 밝은 반 고리가 관찰되었습니다. 삽입 된 그림은 녹색 레이저 빔 (파장 532nm) 아래의 회전을 보여줍니다. 샘플 평면의 레이저 빔 크기는 e, h에 대해 2.65 µm입니다.
집중된 레이저 빔을 사용하여 PS / Au Janus 입자의 (e) 방향 제어에서 회전을 위해 1.9mW의 전력이 적용되었습니다. 크레딧 : Light : Science & Applications, doi : 10.1038 / s41377-020-00378-5
피드백 제어 방법 그런 다음 팀은 활성 탐색을 용이하게하고 Janus 입자의 수영 방향을 조정하기 위해 피드백 알고리즘을 설정했습니다. 폐쇄 루프 제어를 수행하기 위해 그들은 주어진 Janus 입자의 실시간 위치와 방향을 추적하는 컴퓨터 프로그램을 개발하고 제어 시스템을 자동으로 조정했습니다. 실험 설정에서 두 개의 컴퓨터 제어 셔터가 두 개의 개별 레이저 빔의 켜짐 / 꺼짐 상태를 지시했습니다. 과학자들은 회전 속도가 증가하면 수영 방향의 제어 정확도가 감소하는 Janus 입자의 방향 수영을 성공적으로 진행했습니다. 이를 설명하기 위해 Peng et al. 더 높은 프레임 속도의 CCD (Charged-coupled Device) 카메라를 사용하여 피드백 제어의 정확도를 크게 향상 시켰습니다. 그런 다음 광 열전 수영 선수의 표적 수송을위한 피드백 제어 알고리즘을 사용하여 PS / Au Janus 입자의 능동적 탐색을 시연했습니다. 이 연구는 표적 나노 / 마이크로 약물 전달에서 잠재적 인 응용 분야와 함께 정확한 전달을 위해 약물 분자와 비금속 부품을 운반 할 수있는 광 열전 마이크로 스위 머의 잠재력을 보여주었습니다.
피드백 제어 방법을 사용한 PS / Au Janus 입자의 지향성 수영 및 표적 수송. (a) 실험적으로 기록 된 이미지에 대한 피드백 제어를 사용하는 방향 수영의 개략도, 여기서 집중된 녹색 레이저 빔과 초점이 맞지 않은 빨간색 레이저 빔이 각각 수영을 탐색하고 운전하는 데 사용되었습니다. (b) 피드백 제어 방법의 흐름도. (c) 피드백 제어 방법에 대한 광학 설정 및 기계적 레이아웃. (d) 5 µm PS / Au Janus 입자의 궤적은 서로 다른 방향으로 헤엄칩니다. (e) 5 µm PS / Au Janus 입자를 10 µm PS 입자로 표적 전달. 2.6mW의 출력을 가진 5μm 532nm 레이저 빔이 회전을 구동하는 데 사용되었고, 31μm의 빔 크기와 160-200mW의 출력을 가진 660nm 레이저 빔이 수영을 구동하기 위해 적용되었습니다. 크레딧 : Light :
이러한 방식으로 Xiaolei Peng과 동료들은 모든 광학 작동 및 탐색 기능을 갖춘 광 열전 마이크로 스위 머를 개발했습니다. 그들은 야누스 입자의 광-열전 기적 결합을 이용하여이를 달성했습니다. 빛을 조사한 야누스 입자에 의해 생성 된 열은 화학 연료없이 입자를 특정 방향으로 추진하기 위해 열전 장을 생성했습니다. 그들은 집중된 레이저 빔을 사용하여 마이크로 스위 머의 방향을 조정하고 두 번째 빔으로 Janus 입자의 회전을 제어했습니다. 이 메커니즘은 생물 의학의 여러 작업을위한 지능형 마이크로 로봇을 개발하기 위해 추가로 탐구 할 수 있습니다. 더 탐색 연구원들은 레이저로 금 코팅 된 나노 입자를 조작합니다
추가 정보 : 1. Peng X. et al. 광열 전기 마이크로 수영 , Nature Light : Science & Applications , doi.org/10.1038/s41377-020-00378-5 2. Esteban-Fernández de Ávila B. et al. 나노 모터를 기반으로 한 단일 세포 실시간 miRNA 감지. ACS Nano , doi.org/10.1021/acsnano.5b02807 3. Kim K. et al. 나노 스케일 빌딩 블록으로 조립 된 초고속 회전 나노 전자 기계 시스템 장치. Nature Communications , 10.1038 / ncomms4632 저널 정보 : Nature , Light : Science & Applications , ACS Nano , Nature Communications © 2020 과학 X 네트워크
https://phys.org/news/2020-09-opto-thermoelectric-microswimmers.html
.New evidence that the quantum world is even stranger than we thought
양자 세계가 우리가 생각했던 것보다 더 이상하다는 새로운 증거
작성자 : Steve Tally, Purdue University 퍼듀 대학의 과학자 팀이 애니 온이라고하는 준 입자의 실험적 증거를 발견했습니다. 실험에서 전기적 간섭은 연구자들이 "pyjama plot"이라고 부르는 패턴을 만들었습니다. 간섭 패턴의 점프는 anyons의 존재를 나타냅니다. 출처 : Purdue University 이미지 / James Nakamura SEPTEMBER 4, 2020
Purdue 대학의 과학자 팀은 "anyons"라고 불리는 "준 입자"를 형성하기위한 전자의 집합 적 행동에 대한 새로운 실험적 증거가보고되었습니다. Anyon은 양자 역학적 위상 변화를 유도하여 다른 준 입자와의 상호 작용에 대한 "기억"을 유지하는 분수 전하 및 분수 통계를 나타내는 등 다른 아 원자 입자 에서 볼 수없는 특성을 가지고 있습니다 . 박사후 연구원 인 James Nakamura는 연구 그룹 구성원 인 Shuang Liang과 Geoffrey Gardner의 도움을 받아 Michael Manfra 교수의 실험실에서 일하면서 발견했습니다. Manfra는 물리학 및 천문학의 저명한 교수, Purdue 's Bill and Dee O'Brien 물리학 및 천문학 석좌 교수, 전기 및 컴퓨터 공학 교수, 재료 공학 교수입니다. 이 작업은 결국 양자 컴퓨터의 개발과 관련이있는 것으로 밝혀졌지만 현재로서는 준 입자의 물리학을 이해하는 데 중요한 단계로 간주 될 것이라고 Manfra는 말했습니다. 이 발견에 대한 연구 논문은 이번 주 Nature Physics 에 게재되었습니다 . 노벨, 이론 물리학 자 프랭크 윌첵, MIT 물리학 교수 수상 경력이 혀 -에 - 뺨 이름 "준 입자 준 애니 온을 입자의 다른 유형과 달리, 그들은 때"어떤 "양자의 위상을 채택 할 수 있기 때문에 그들의 이상한 행동을"자신의 위치가 교환됩니다. 2020 년 애니 온의 증거가 증가하기 전에 물리학 자들은 알려진 세계의 입자를 페르미온과 보손의 두 그룹으로 분류했습니다. 전자는 페르미온의 예이며, 빛과 전파를 구성하는 광자는 보손입니다. 페르미온과 보손의 한 가지 특징적인 차이점은 입자가 서로 주위를 엮거나 꼰 때 입자가 어떻게 작용하는지입니다. Fermions는 한 가지 직접적인 방식으로 반응하고 bosons는 다른 예상되고 직접적인 방식으로 반응합니다. Anyons는 마치 부분적인 전하가있는 것처럼 반응하며, 더욱 흥미롭게도 서로 주위를 엮으면서 사소하지 않은 위상 변화를 만듭니다. 이것은 anyons에게 상호 작용의 "메모리"유형을 제공 할 수 있습니다. "아니 온은 특수한 상황에서 전자의 집합적인 여기로만 존재한다"고 Manfra는 말했다. "그러나 그것들은 분수 전하와 분수 통계를 포함하여 증명할 수있는 멋진 특성을 가지고 있습니다. 그것은 당신이 '어떻게 그들이 전자의 기본 전하보다 더 적은 전하를 가질 수 있는가?'라고 생각하기 때문입니다." 하지만 그렇습니다. " Manfra는 bosons 또는 fermion이 교환 될 때 각각 플러스 1 또는 마이너스 1의 위상 계수를 생성한다고 말했습니다.
Purdue의 과학자들은 "anyons"라고 불리는 "준 입자"를 형성하기 위해 전자의 집단적 행동에 대한 새로운 실험적 증거를 발표했습니다. 연구팀은 간섭계라고하는 나노 스케일 장치에서 특정 미로 모양의 에칭 된 나노 구조를 통해 전자를 라우팅함으로써이 동작을 입증 할 수있었습니다. 출처 : Purdue University 이미지 / James Nakamura
"우리 anyon의 경우 편조에 의해 생성 된 위상은 2π / 3"라고 그는 말했다. "그것은 이전에 자연에서 본 것과는 다릅니다." Anyons는 이러한 행동을 전자의 집합체로만 표시하는데, 많은 전자가 매우 극단적이고 특정한 조건에서 하나로 행동하기 때문에 자연에서 분리 된 것으로 생각되지 않는다고 Nakamura는 말했습니다. "일반적으로 물리학 세계에서 우리는 양성자와 전자와 같은 기본 입자와 주기율표를 구성하는 모든 것들에 대해 생각합니다."라고 그는 말했습니다. "그러나 우리는 특정한 극한 조건에 놓여있는 전자 바다에서 나오는 준 입자의 존재를 연구합니다 ." 이 동작은 입자가 서로를 둘러싸고있는 횟수에 따라 달라 지므로 다른 양자 입자보다 특성이 더 강력합니다. 이 특성은 시스템의 기하학적 구조에 따라 달라지며 결국 안정된 위상 양자 컴퓨터를 구축하는 데 사용할 수있는 훨씬 더 정교한 구조로 이어질 수 있기 때문에 위상이라고합니다. 연구팀은 갈륨 비소와 알루미늄 갈륨 비소로 만든 특정 미로 모양의 에칭 된 나노 구조를 통해 전자를 라우팅함으로써이 동작을 입증 할 수있었습니다. 간섭계라고하는이 장치는 전자를 2 차원 경로로 이동하도록 제한했습니다. 이 장치는 절대 영도 (10 밀리 켈빈)에서 100 분의 1도 이내로 냉각되었고 강력한 9-Tesla 자기장에 노출되었습니다. 간섭계의 전기 저항은 연구자들이 "pyjama plot"이라고 부르는 간섭 패턴을 생성했습니다. 간섭 패턴의 점프는 애니 온의 존재를 나타냅니다. 캘리포니아 대학의 이론 물리학자인 체탄 나약 (Chetan Nayak)은 "이것은 확실히 실험 물리학에서 수행해야 할 더 복잡하고 복잡한 일 중 하나"라고 Santa Barbara는 Science News에 말했다. Nakamura는 Purdue의 시설이 이러한 발견이 일어날 수있는 환경을 조성했다고 말했습니다. "우리는 전자 시스템을 구현하는 데 필요한 갈륨 비소 반도체를 성장시킬 수있는 기술을 보유하고 있습니다. 우리는 실험에 사용한 간섭계 인 간섭계를 만들기 위해 Birck Nanotechnology Center에 나노 제조 시설을 보유하고 있습니다. 물리학과에는 초저온을 측정하고 강한 자기장을 생성하는 능력. " 그는 말했다. "그래서 우리는 Purdue에서이 모든 것을 발견하는 데 필요한 모든 구성 요소를 가지고 있습니다. 이것이 여기에서 연구를 수행하는 데있어 좋은 일이며 우리가이 발전을 이룰 수 있었던 이유입니다." Manfra는 준 입자 경계의 다음 단계는 더 복잡한 간섭계를 만드는 것입니다. "새로운 간섭계에서 우리는 챔버 내 준 입자의 위치와 수를 제어 할 수있는 능력을 갖게 될 것"이라고 그는 말했다. 그런 다음 요청에 따라 간섭계 내부의 준 입자 수를 변경하고 선택한대로 간섭 패턴 을 변경할 수 있습니다. "
더 탐색 anyons의 존재에 대한 최고의 증거 추가 정보 : J. Nakamura et al. Anyonic braiding statistics, Nature Physics (2020) 의 직접 관찰 . DOI : 10.1038 / s41567-020-1019-1 저널 정보 : Nature Physics Purdue University 제공
https://phys.org/news/2020-09-evidence-quantum-world-stranger-thought.html
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