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(Proyector de Nanowerk) Los trillones de diminutas nanomáquinas moleculares que funcionan en nuestros cuerpos y nos mantienen vivos, realizando tareas como construir y descomponer moléculas, mover materiales alrededor de una célula y procesar y expresar información genética, y lo hacen mientras usan muy poca energía.
Los investigadores que trabajan en el desarrollo de nanomáquinas, como actuadores, rotores y motores, todavía tienen un largo camino por recorrer antes de siquiera acercarse a las pequeñas máquinas altamente eficientes de la naturaleza.
Una forma práctica de manipular de forma remota objetos a nanoescala es mediante la activación y propulsión de la luz, que se basa en gran medida en fuerzas inducidas óptica y fototérmicamente. La luz tiene el poder inherente de mover objetos microscópicos, una propiedad que se utilizó anteriormente para desarrollar la idea de investigación ganadora del Premio Nobel de «pinzas ópticas», que utiliza un rayo láser altamente enfocado para guiar y manipular partículas diminutas con una maniobra de precisión increíble. (leer más: «Meta-vehículos microscópicos impulsados solo por luz»).
Desafortunadamente, la salida de las fuerzas inducidas óptica y fototérmicamente es pequeña (en el rango de piconewton) y la velocidad es baja, lo que limita severamente su rendimiento en entornos líquidos o interfaces semilíquidas.
«Aunque la voladura y la ablación de metales inducidas por láser se pueden usar para la transferencia directa de nanopartículas de una manera eficiente y controlable en estado seco, la manipulación en el plano y la generalidad de esta técnica aún son limitadas», dice el profesor Tao Ding, quien dirige el Grupo de Tecnología y Materiales Fotónicos en la Escuela de Física y Tecnología de la Universidad de Wuhan, frente a Nanowerk. «Además, se requiere un posicionamiento sofisticado y un láser pulsado de femtosegundos de alta energía, lo que aumenta el costo de la cirugía».
Ding y su equipo están en la búsqueda de desarrollar un sistema nanomotor robusto capaz de impulsar el movimiento de cualquier nanoobjeto (y microobjeto), incluso cuando está seco.
Ahora han informado ACS nano («Dinamita plasmónica a nanoescala activada ópticamente») un novedoso y fascinante sistema de nanoactuación: nanodinamita plasmónica. Este sistema se puede activar ópticamente para expulsar nanoesferas de oro con una velocidad inicial de hasta 300 m/s con fuerzas de ∼1 µN y una eficiencia energética termomecánica de ∼30%.
Este sistema funciona combinando una nanopartícula de oro (Au NP) con un fullereno (C60) shell y luego use un láser de onda continua para activar esto de forma remota [email protected]60 nanopartículas de núcleo-capa para expulsar con fuerza el Au NP a una distancia de cientos de nanómetros a micrómetros.
«El mecanismo de eyección es causado por la fuerte fuente de calor local, así como por la mejora del campo eléctrico del núcleo de oro bajo la irradiación láser, lo que mejora la oxidación fotoquímica de C60 En co2‘ Ding explica. “Una acumulación tan abrupta de gas y calor genera una fuerte presión local (~1 µN de fuerza local en el Au NP) que expulsa el Au NP del C60 Encapsulación. Este proceso de eyección ocurre extremadamente rápido (~200 µs)».
En comparación con las nanomáquinas diseñadas anteriormente, este es un gran paso adelante en términos de suministro de energía, eficiencia energética y velocidad de reacción (ver imagen a continuación).
![Resumen de la producción de fuerza por masa en los sistemas de máquinas existentes de macro a nano](https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=61228.php/id61228_1.jpg)
Los fullerenos se conocen desde hace décadas y la mayor parte de la investigación sobre ellos se ha centrado en aplicaciones optoelectrónicas, fotovoltaicas y biomédicas. Lo nuevo es que también se pueden utilizar como fuente de combustible de carbono para acelerar rápidamente las nanoesferas.
Los investigadores señalan que, en teoría, cualquier alótropo de carbono puede hacer el mismo trabajo, pero es más fácil obtener C60 recubierto alrededor de las nanopartículas de oro para formar los compuestos de núcleo y cubierta utilizados en este trabajo.
Al comienzo del proyecto, el equipo se centró en la interacción plasmón-excitón del [email protected]60 y trata de entender cómo se lleva a cabo la transferencia de carga en este sistema.
«Nos dimos cuenta accidentalmente del fenómeno de que cuando apuntamos los láseres a las partículas, las partículas simplemente desaparecieron: cada vez que la potencia del láser era alta, las partículas eran expulsadas», dice Ding. «Le dije a mi protegido Xujie, el primer autor de este artículo, ‘Oye, tal vez podamos hacer algo interesante con esta ablación’. Y finalmente llegamos a donde estamos ahora”.
Los investigadores se dieron cuenta de que su descubrimiento accidental podría proporcionar una fuente robusta de energía (la llamaron «nanodinamita») para nanomáquinas, utilizando la eyección del núcleo de nanopartículas de oro de la cubierta de fullereno para impulsar el movimiento de una perla de sílice del tamaño de un micrómetro a través del impulso. transferir.
En su trabajo, demuestran el uso de nanodinamita para movilizar y manipular micropartículas en superficies sólidas y secas con luz, una hazaña sin precedentes.
![Mover una micropartícula de SiO2 con nanodinamita](https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=61228.php/id61228_2.gif)
«Creemos que nuestro sistema de nanodinamita también puede integrarse en otros dispositivos nano/micromecánicos, como nanoaccionadores, nanopalancas, nanopistones, etc., y potenciar su movimiento con un disparador láser», señala Ding.
Después de demostrar que su sistema puede realizar trabajos mecánicos, el equipo ahora está explorando otras vías. Por ejemplo, consideran la perforación de nanoagujeros o la inducción de estrés local en materiales 2D mediante la expulsión de núcleos de Au, y luego consideran el impacto resultante en las propiedades de banda prohibida electrónica y el comportamiento de emisión de excitones.
Actualmente, controlar la longitud y la dirección de la eyección de las nanopartículas de oro no es 100 % preciso, pero ya es suficiente como fuente de energía para los sistemas nanomecánicos reales. Sin embargo, el principal problema que requiere un diseño e ingeniería sofisticados es la tarea de recarga o recarga. [email protected] Nano Dynamite durante su funcionamiento.
Miguel
Berger
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Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry:
Nanosociedad: empujando las fronteras de la tecnología,
Nanotecnología: el futuro es diminuto y
Nanoingeniería: Las habilidades y herramientas que hacen invisible la tecnología
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