2010年7月4日加州大學(xué)伯克利分校的五名物理學(xué)家(Ming Liu, Thomas Zentgraf, Yongmin Liu, Guy Bartal,Xiang Zhang)在《自然》雜志納米科技分冊上發(fā)表題為《光驅(qū)動電漿子馬達(dá)》( Light-driven nanoscale plasmonic motors)論文.在論文中該小組稱，這種用光直接驅(qū)動的馬達(dá)可以帶動比它大400倍的圓盤.這項技術(shù)還可以用于驅(qū)動如DNA分子之類的超小型物體.如封面主圖所示，這個納米馬達(dá)的形狀像個風(fēng)車，有4個旋翼，可以用光驅(qū)動它順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，該小組給它起了個名字叫“光車”(light mill).

很早以前科學(xué)家們就知道，光可以 用來驅(qū)動納米尺度的物體.光子同時具有線動量和角動量，線動量作用于物體會產(chǎn)生光壓，利用它可以造出捕捉原子的激光鑷子和激光致冷裝置；光子具有的角動量則在光子被物體吸收或散射時產(chǎn)生機械扭力.獲得較大的光機械扭力在納米機械傳感器領(lǐng)域和單個生物分子監(jiān)控領(lǐng)域是相當(dāng)有價值的.但是非常不幸由于這些納米機械中廣泛使用的絕緣材料的光學(xué)常量太小，光-物相作用非常微弱，使這種機械扭力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要.

近年來研究人員發(fā)現(xiàn)可以通過金屬表面電子的集體振蕩來增強光-物相互作用，這種在光作用下的金屬表面電子的集體振蕩被稱做“表面電漿子”( surface plasmons)效應(yīng)，光場會被這種共鳴增強從而提高光-物相互作用的效率.“surface plasmons”這個詞，國內(nèi)有多種譯法，趙凱華先生將之譯為“表面漿子”，還有譯作“表面等離激元”，本文采用的是臺灣學(xué)術(shù)界的譯法.表面電漿子的研究已有百年歷史, 在20世紀(jì)初，就已經(jīng)在金屬光柵的反射光譜中觀察到表面電漿子相關(guān)的光學(xué)現(xiàn)象.表面電漿子模式會局限在金屬表面附近，形成高度增強的近場(highly enhanced near-field).這種表面增強的特性已經(jīng)被利用于各類表面光譜的測量上，如表面電漿子增強拉曼光譜儀(SERS).表面電漿子共振的高靈敏度，也被廣泛利用于化學(xué)、生物檢測上，如單個分子檢測儀.

由張翔(音譯)領(lǐng)導(dǎo)的加州小組利用表面電漿子效應(yīng)制造了一個用光直接驅(qū)動的納米電漿子馬達(dá).這個馬達(dá)為純金打造，由于表面電漿子效應(yīng)使光-物作用增強，這個直徑100 nm的馬達(dá)動力非常強勁，帶動了一個比它大400倍的直徑為2 μm的硅質(zhì)圓盤.該小組通過調(diào)節(jié)入射光的波長可以使這臺納米馬達(dá)定速定向轉(zhuǎn)動.例如當(dāng)入射光波長為810 nm，輸入功率為1 mW時，硅盤以0.3 Hz的速度逆時針旋轉(zhuǎn)；當(dāng)入射光波長為1 700 nm，輸入功率相同時，硅盤會以同樣的速度順時針旋轉(zhuǎn).

加州小組在論文中指出，這臺馬達(dá)的外形經(jīng)過了他們特別的設(shè)計，是決定這臺馬達(dá)如此強勁的關(guān)鍵所在.不同波長的光會作用于馬達(dá)不同的部位，產(chǎn)生不同的旋轉(zhuǎn)方式.如波長為810 nm的光會作用于馬達(dá)旋臂的外沿，使馬達(dá)逆時針轉(zhuǎn)動；波長為1 700 nm的光僅同臂的中部發(fā)生作用，使馬達(dá)順時針轉(zhuǎn)動.馬達(dá)對入射光速的角動量沒有特別的要求，這意味著入射光用不著經(jīng)過特殊的偏振處理，任何光源無論是偏振光源還是非偏振光源都可以作為驅(qū)動光源.

這臺馬達(dá)可以作為納米機械傳感器的理想動力源，也可以用它提供的強勁動力來彎曲或拉直DNA分子.加州小組還在論文中給出了一個很誘人的設(shè)想，如果將這個馬達(dá)加以改進(jìn)，使它能夠有更寬的工作光譜，它還可以用來構(gòu)造一種高效的太陽能轉(zhuǎn)換器.研究組成員劉明(音譯)還指出“如同汽車發(fā)動機的多缸結(jié)構(gòu)，我們還可以把幾個電漿子馬達(dá)組合起來，以獲得更強大的動力輸出”.

資料來源：Nature官方網(wǎng)站、臺灣師范大學(xué)網(wǎng)站等