一种基于微纳光纤的空气环境光力驱动微纳马达系统

摘要

本发明公开一种基于微纳光纤的空气环境光力驱动微纳马达系统，包括至少一光纤支撑台，所述光纤支撑台悬空搭载有兼作定子的微纳光纤，非对称放置在微纳光纤上且兼作转子的微米金属片；在所述的微纳光纤内通入激光，驱动微米金属片绕微纳光纤旋转。本发明利用光力驱动微纳结构，以微纳光纤作为定子，以微米金属片为转子，提出基于微纳光纤的空气环境光力驱动微纳马达系统，能在空气中实现光力驱动微米金片绕光纤旋转运动。

说明书

技术领域

本发明涉及光力驱动领域，具体涉及一种基于微纳光纤的空气环境光力驱动微纳马达系统。

背景技术

微纳马达是指在外界化学能、电能、光能、热能、磁能等能量输入下，微纳米级的器件能够产生运动，包括转动、平移、收缩等。微纳马达在未来的微纳机械、临床生物、环境治理等领域具有广泛的应用。

在人造微纳马达领域的开创工作为Whitesides在《Angewandte Chemie International Edition》(应用化学期刊)2002，41：4上发表的“Autonomous Movement and Self-Assembly”(自主运动和自组装)，以及Sen和Mallouk在《Journal of the American Chemical Society》(美国化学学会杂志)2004，126：41上发表的“Catalytic Nanomotors:Autonomous Movement of Striped Nanorods”(催化型微纳马达：条纹纳米棒的自主运动)。前者是过氧化物为燃料的柱状微纳马达，后者为双金属(Pt-Au)或金属-绝缘体(Pt-SiO₂)微纳马达，两者都是通过Pt金属催化过氧化氢将化学能转换为马达运动的机械能。此后微纳马达的驱动能量以及结构材料都呈现多样化发展。驱动方式包括：以HCl、N₂H₄、I₂等为燃料驱动、以紫外光和红外光的光驱动、以直流电或交流电为能源的电驱动、以及超声波驱动、磁场驱动等。而微纳马达的结构则包括：Janus球、齿轮状、螺旋线等。

然而，这些微纳马达都是在溶液中实现的。主要原因是在空气环境中，微纳结构小尺寸效应，短程吸引力如范德瓦耳斯作用力非常大，驱动力难以使微纳物体运动，而溶液环境中这种短程吸引力会大大减弱。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于微纳光纤的空气环境光力驱动微纳马达系统，即利用非常细的微纳光纤作为定子，微米金属片作为转子，向微纳光纤中通入激光，即可在空气中用光力驱动微米金属片绕微纳光纤旋转运动。

本发明具体是通过以下技术方案实现的：

一种基于微纳光纤的空气环境光力驱动微纳马达系统，包括至少一光纤支撑台，所述光纤支撑台悬空搭载有兼作定子的微纳光纤，非对称放置在微纳光纤上且兼作转子的微米金属片；

在所述的微纳光纤内通入激光，驱动微米金属片绕微纳光纤旋转。

在空气环境中，将微纳光纤搭载在光纤支撑台上，然后将微米金属片放置在光纤上，放置时微米金属片与光纤要非对称。微米金属片和微纳光纤间的短程吸引力使得微米金属片不会脱离微纳光纤。向微纳光纤中通入激光，即可驱动微米金属片绕光纤旋转，通过改变激光的功率，可以改变金属片旋转的速度。

所述的微纳光纤是由单模光纤拉细制成，其形状可以是均匀拉细的或者拉锥状的，直径为亚微米量级。

优选的，所述的微纳光纤呈U型，两端搭设在同一光纤支撑台上，所述微米金属片放置在微纳光纤的中部；或者并列优选的，所述的光纤支撑台为间隔设置的两个，微纳光纤的两端分别搭设在两光纤支撑台上。

本发明中，光纤支撑台可以是任意材料和任意形状的，微纳光纤搭载的方式可以是光纤两端分别搭载在不同的光纤支撑台上，也可以是光纤两端搭载在同一个支撑台上，其最终目的是使得微纳光纤悬空。

所述的微米金属片可以是六边形，三角形，材料可以是金或银。金和银能够通过化学方法合成出这种微米级的片子，而且金和银稳定性，抗氧化性，耐腐蚀性都比较优越。

所述的激光光源，可以是宽谱光源，包括超连续激光；或者是单波长脉冲激光光源，包括纳秒脉冲激光、皮秒脉冲激光和飞秒脉冲激光。

所述的微米金属片与微纳光纤的非对称，是指微米金属片的中心对称轴与微纳光纤轴不重合(或者相交)，有一定的偏移。非对称的目的是使微米金属片受到的光致力不平衡，从而能驱动金属片旋转。

微米金属片旋转的原理简述如下：在微纳光纤中通入激光后，微纳光纤外部由于光纤直径很小因而有很强的倏逝场，与置于微纳光纤上的微米金片作用，从而产生驱动力，其中驱动力产生有三种方式：其一是光被金属片散射和吸收从而产生光力；其二是金属片吸收光产生热，由于受热不均匀，形成温度梯度，产生光热力；其三是当激光功率(平均或者瞬时功率)很高时，金属片会喷发电子或者原子，也能产生驱动力。当金属片在微纳光纤上有偏移时，这些力的不平衡驱动金属片绕微纳光纤旋转。

本发明具有的有益效果是：本发明利用光力驱动微纳结构，以微纳光纤作为定子，以微米金属片为转子，提出基于微纳光纤的空气环境光力驱动微纳马达系统，能在空气中实现光力驱动微米金片绕光纤旋转运动。系统简单紧凑，装置制备的方法简易，操作简便。该系统在微纳机械、光能机械能转换等领域很有应用价值。

附图说明

图1为微纳光纤两端搭载不同支撑台的空气环境光力驱动微纳马达系统的结构示意图；

图2为微纳光纤两端搭载同一支撑台的空气环境光力驱动微纳马达系统的结构示意图。

1.微纳光纤，2.微米金属片，3.光纤支撑台，4.激光，5.衬底。

具体实施方式

如图1所示，本发明将拉细的微纳光纤1搭载在两个不同的光纤支撑台3上，或者将其搭载在同一光纤支撑台3上，使得微纳光纤1中部悬于空气中。光纤支撑台3放置在衬底5上，将微米金属片2放置在微纳光纤1上，并使得微米金属片2的中心对称轴适当与微纳光纤1偏移。向微纳光纤1中通入激光4，即可在空气中实现光力驱动微米金属片2绕微纳光纤1旋转运动。下面结合实施例来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

用直径约为1微米的拉细光纤以图2的方式搭载在玻璃载波片上，通过光纤探针将衬底上的六边形微米金片挑到光纤上，使微米金片中心对称轴与光纤轴偏移1微米。其中，金片边长约为6微米，厚度约为30纳米，通过化学方法合成。向光纤中通入功率约为10毫瓦的超连续激光，即可驱动微米金片绕光纤旋转运动，旋转速度最高可达600转/分钟。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。