Motores rotativos. Crédito: Universidad de Texas en Austin
Los motores son omnipresentes en nuestra vida diaria, desde automóviles hasta lavadoras, aunque rara vez los notamos. Un campo futurista de la ciencia está trabajando en el desarrollo de pequeños motores que podrían alimentar una red de nanomáquinas y reemplazar algunas de las fuentes de energía que usamos actualmente en los dispositivos electrónicos.
Investigadores de la Escuela de Ingeniería Cockrell de la Universidad de Texas en Austin han creado el primer nanomotor óptico de estado sólido. Todas las iteraciones anteriores de estos motores ligeros residen en algún tipo de solución, lo que limitaba su potencial para la mayoría de las aplicaciones del mundo real. Esta nueva investigación fue publicada recientemente en la revista ACS Nano.
«La vida comenzó en el agua y finalmente se trasladó a la tierra», dijo Yuebing Zheng, profesor asociado en el departamento de ingeniería mecánica de Walker. «Hemos estado haciendo funcionar estos micro-nanomotores que siempre han vivido en solución en la tierra, en estado sólido».
Los científicos prevén usar estos motores para impulsar una amplia variedad de cosas. Podrían ser útiles para medir la calidad del aire, ya que el movimiento giratorio podría recoger polvo y otras partículas. Podrían impulsar dispositivos de administración de fármacos dentro del cuerpo humano. Y también podrían impulsar pequeños drones para vigilancia y mediciones, y otros mini vehículos.
El diminuto motor nuevo tiene menos de 100 nanómetros de ancho (como referencia, el grosor de una hoja de papel es de unos 100.000 nanómetros) y puede girar sobre un sustrato sólido bajo una luz intensa. Puede convertir la luz en energía mecánica para varios sistemas micro/nano-electromecánicos de estado sólido como un motor sin combustible y sin engranajes.
Uno de los mayores obstáculos para implementar estos dispositivos es el movimiento browniano, que se evita llevando estos nanomotores a tierra y fuera del agua, por así decirlo. El movimiento browniano ocurre cuando las moléculas de agua empujan estos pequeños motores fuera de su rotación. Cuanto más pequeño es el motor, mayor es el efecto de este movimiento. Quitar la solución del lado de la ecuación soluciona completamente este problema.
Los nanomotores son parte de un campo grande y creciente de fuentes de energía en miniatura. Sirven como el término medio a escala entre las máquinas moleculares en el extremo más pequeño y los micromotores en el extremo más grande.
El campo es de inmenso interés, pero en este punto los investigadores todavía están tratando de descubrir la ciencia básica para hacer que estos pequeños motores sean más viables a través de una mayor eficiencia.
La razón por la que a los científicos les apasiona tanto crear estos diminutos motores es que imitan algunas de las estructuras biológicas más importantes. En la naturaleza, estos motores impulsan la división celular y les ayudan a moverse. Se combinan para ayudar a los organismos a moverse.
«Los nanomotores nos ayudan a controlar con precisión el nanomundo y crear cosas nuevas que queremos para nuestro mundo real», dijo Jingang Li, doctorado del grupo de Zheng y autor principal del estudio.
Al sacar estos motores de la solución y colocarlos en chips, tienen el potencial de reemplazar las baterías en algunos casos, usando solo luz para generar movimientos mecánicos y dispositivos de energía.
Este avance proviene de un nuevo diseño: una fina capa de material de cambio de fase sobre el sustrato. La película delgada puede sufrir un cambio local y reversible de la fase sólida a una fase casi líquida cuando se expone a la luz. Este cambio de fase puede reducir la fuerza de fricción de los nanomotores e impulsa la rotación.
Esta fue la primera demostración del equipo de motores que utilizan nanopartículas. En el futuro, los investigadores continuarán mejorando su creación, trabajando para mejorar el rendimiento, haciéndolos más estables y controlables, lo que lleva a convertir la luz en energía mecánica a tasas más altas.
Referencia: «Nanomotores opto-termocapilares en sustratos sólidos» por Jingang Li, Pavana Siddhartha Kollipara, Ya Liu, Kan Yao, Yaoran Liu y Yuebing Zheng, 20 de mayo de 2022, ACS Nano.
DOI: 10.1021/acsnano.1c09800
Otros miembros del equipo incluyen: ingeniería mecánica Pavana Siddhartha Kollipara y Kan Yao; Yaoran Liu del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática y Ya Liu de la Universidad Xi’an Jiaotong en China. La investigación fue financiada por subvenciones de los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Nacional de Ciencias.