一種基於微納光纖的空氣環境光力驅動微納馬達系統的製作方法

2023-10-24 23:18:22 2

本發明涉及光力驅動領域，具體涉及一種基於微納光纖的空氣環境光力驅動微納馬達系統。

背景技術：

微納馬達是指在外界化學能、電能、光能、熱能、磁能等能量輸入下，微納米級的器件能夠產生運動，包括轉動、平移、收縮等。微納馬達在未來的微納機械、臨床生物、環境治理等領域具有廣泛的應用。

在人造微納馬達領域的開創工作為whitesides在《angewandtechemieinternationaledition》(應用化學期刊)2002，41：4上發表的「autonomousmovementandself-assembly」(自主運動和自組裝)，以及sen和mallouk在《journaloftheamericanchemicalsociety》(美國化學學會雜誌)2004，126：41上發表的「catalyticnanomotors:autonomousmovementofstripednanorods」(催化型微納馬達：條紋納米棒的自主運動)。前者是過氧化物為燃料的柱狀微納馬達，後者為雙金屬(pt-au)或金屬-絕緣體(pt-sio2)微納馬達，兩者都是通過pt金屬催化過氧化氫將化學能轉換為馬達運動的機械能。此後微納馬達的驅動能量以及結構材料都呈現多樣化發展。驅動方式包括：以hcl、n2h4、i2等為燃料驅動、以紫外光和紅外光的光碟機動、以直流電或交流電為能源的電驅動、以及超聲波驅動、磁場驅動等。而微納馬達的結構則包括：janus球、齒輪狀、螺旋線等。

然而，這些微納馬達都是在溶液中實現的。主要原因是在空氣環境中，微納結構小尺寸效應，短程吸引力如範德瓦耳斯作用力非常大，驅動力難以使微納物體運動，而溶液環境中這種短程吸引力會大大減弱。

技術實現要素：

本發明針對現有技術的不足，提供一種基於微納光纖的空氣環境光力驅動微納馬達系統，即利用非常細的微納光纖作為定子，微米金屬片作為轉子，向微納光纖中通入雷射，即可在空氣中用光力驅動微米金屬片繞微納光纖旋轉運動。

本發明具體是通過以下技術方案實現的：

一種基於微納光纖的空氣環境光力驅動微納馬達系統，包括至少一光纖支撐臺，所述光纖支撐臺懸空搭載有兼作定子的微納光纖，非對稱放置在微納光纖上且兼作轉子的微米金屬片；

在所述的微納光纖內通入雷射，驅動微米金屬片繞微納光纖旋轉。

在空氣環境中，將微納光纖搭載在光纖支撐臺上，然後將微米金屬片放置在光纖上，放置時微米金屬片與光纖要非對稱。微米金屬片和微納光纖間的短程吸引力使得微米金屬片不會脫離微納光纖。向微納光纖中通入雷射，即可驅動微米金屬片繞光纖旋轉，通過改變雷射的功率，可以改變金屬片旋轉的速度。

所述的微納光纖是由單模光纖拉細製成，其形狀可以是均勻拉細的或者拉錐狀的，直徑為亞微米量級。

優選的，所述的微納光纖呈u型，兩端搭設在同一光纖支撐臺上，所述微米金屬片放置在微納光纖的中部；或者並列優選的，所述的光纖支撐臺為間隔設置的兩個，微納光纖的兩端分別搭設在兩光纖支撐臺上。

本發明中，光纖支撐臺可以是任意材料和任意形狀的，微納光纖搭載的方式可以是光纖兩端分別搭載在不同的光纖支撐臺上，也可以是光纖兩端搭載在同一個支撐臺上，其最終目的是使得微納光纖懸空。

所述的微米金屬片可以是六邊形，三角形，材料可以是金或銀。金和銀能夠通過化學方法合成出這種微米級的片子，而且金和銀穩定性，抗氧化性，耐腐蝕性都比較優越。

所述的雷射光源，可以是寬譜光源，包括超連續雷射；或者是單波長脈衝雷射光源，包括納秒脈衝雷射、皮秒脈衝雷射和飛秒脈衝雷射。

所述的微米金屬片與微納光纖的非對稱，是指微米金屬片的中心對稱軸與微納光纖軸不重合(或者相交)，有一定的偏移。非對稱的目的是使微米金屬片受到的光致力不平衡，從而能驅動金屬片旋轉。

微米金屬片旋轉的原理簡述如下：在微納光纖中通入雷射後，微納光纖外部由於光纖直徑很小因而有很強的倏逝場，與置於微納光纖上的微米金片作用，從而產生驅動力，其中驅動力產生有三種方式：其一是光被金屬片散射和吸收從而產生光力；其二是金屬片吸收光產生熱，由於受熱不均勻，形成溫度梯度，產生光熱力；其三是當雷射功率(平均或者瞬時功率)很高時，金屬片會噴發電子或者原子，也能產生驅動力。當金屬片在微納光纖上有偏移時，這些力的不平衡驅動金屬片繞微納光纖旋轉。

本發明具有的有益效果是：本發明利用光力驅動微納結構，以微納光纖作為定子，以微米金屬片為轉子，提出基於微納光纖的空氣環境光力驅動微納馬達系統，能在空氣中實現光力驅動微米金片繞光纖旋轉運動。系統簡單緊湊，裝置製備的方法簡易，操作簡便。該系統在微納機械、光能機械能轉換等領域很有應用價值。

附圖說明

圖1為微納光纖兩端搭載不同支撐臺的空氣環境光力驅動微納馬達系統的結構示意圖；

圖2為微納光纖兩端搭載同一支撐臺的空氣環境光力驅動微納馬達系統的結構示意圖。

1.微納光纖，2.微米金屬片，3.光纖支撐臺，4.雷射，5.襯底。

具體實施方式

如圖1所示，本發明將拉細的微納光纖1搭載在兩個不同的光纖支撐臺3上，或者將其搭載在同一光纖支撐臺3上，使得微納光纖1中部懸於空氣中。光纖支撐臺3放置在襯底5上，將微米金屬片2放置在微納光纖1上，並使得微米金屬片2的中心對稱軸適當與微納光纖1偏移。向微納光纖1中通入雷射4，即可在空氣中實現光力驅動微米金屬片2繞微納光纖1旋轉運動。下面結合實施例來詳細說明本發明，但本發明並不僅限於此。

用直徑約為1微米的拉細光纖以圖2的方式搭載在玻璃載波片上，通過光纖探針將襯底上的六邊形微米金片挑到光纖上，使微米金片中心對稱軸與光纖軸偏移1微米。其中，金片邊長約為6微米，厚度約為30納米，通過化學方法合成。向光纖中通入功率約為10毫瓦的超連續雷射，即可驅動微米金片繞光纖旋轉運動，旋轉速度最高可達600轉/分鐘。

以上所述僅為本發明的較佳實施舉例，並不用於限制本發明，凡在本發明精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。