La gran limitación de los micromotores y microengranajes es la fuente de energía que los impulsa. El uso de metamateriales ópticos que responden a luz polarizada podría ser la solución. Así lo propone un artículo en arXiv, que aparecerá en Physical Review Letters, presenta micromecanismos basados en trenes de engranajes fabricados con técnicas de litografía estándar. Los engranajes motores tienen una metasuperficie activada por luz polarizada circular; la polarizada hacia la izquierda genera una fuerza que mueve el engranaje hacia la izquierda y a la inversa para la polarizada hacia la derecha. Por cierto, todo el mecanismo está sumergido en agua para que las piezas móviles del micromecanismo floten y puedan rotar bajo irradiación luminosa. Sin lugar a dudas, el uso de la luz como fuente de energía facilita el control de estos micromotores. Además, augura su futura aplicación en la nanoescala.

La metasuperficie está dividida en regiones de submicropilares estrechos y gruesos. Cuando se usan cuatro regiones se logra el movimiento en un único sentido usando luz polarizada linealmente. Las flechas blancas indican las fuerzas que se ejercen sobre el metarrotor al ser iluminado; en la figura central y derecha la rotación es en sentido antihorario. En muchas aplicaciones se requiere movimiento en ambos sentidos (horario y antihorario), para lo que se tiene que dividir la metasuperficie en ocho regiones y usar luz polarizada circularmente, hacia la izquierda o hacia la derecha. En la figura izquierda se ve un ejemplo con luz polarizada hacia la izquierda (la letra E rodeada de una flecha circular).

Las microfotografías de estos micromotores son espectaculares. El artículo incluye vídeos como información suplementaria. Para los interesados en más detalles, Gan Wang, Marcel Rey, …, Giovanni Volpe, «Microscopic Geared Mechanisms,» arXiv:2409.17284 [physics.optics] (25 Sep 2024), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2409.17284. Por cierto, los submicropilares tienen una forma asimétrica que produce una difracción asimétrica responsable del sentido de la fuerza inducida por la irradiación polarizada; su diseño y análisis se publicó en Daniel Andrén, Denis G. Baranov, …, Mikael Käll, «Microscopic metavehicles powered and steered by embedded optical metasurfaces,» Nature Nanotechnology 16: 970-974 (22 Jul 2021), doi: https://doi.org/10.1038/s41565-021-00941-0, arXiv:2012.10205 [physics.optics] (18 Dec 2020).

El micromotor rotatorio propulsado por una metasuperficie óptica está formado por un metarrotor (una estructura en forma de anillo que contiene una metasuperficie) que está anclado a un chip de vidrio mediante un pilar con tapa (como muestra la figura). El proceso de fabricación por fotolitografía consta de cuatro etapas. Primero (b) se graba la metasuperficie con submicropilares de silicio de dos tipos, delgados de 270 nm × 200 nm × 460 nm y grueso de 400 nm × 200 nm × 460 nm separados por una distancia de 50 nm. Segundo (c) se graba un anillo de dióxido de silicio (SiO₂) que sostendrá la metasuperficie y que contiene una pequeña protuberancia indicadora del ángulo. Tercero (d) se fabrica un pilar del polímero SU-8, que resiste la luz ultravioleta usada en la litografía. Y cuarto (e) se coloca la tapa de SU-8, que permite anclar el metarrotor al sustrato de SiO₂. Gracias a este pilar se puede rotar de forma libre el anillo con la metasuperficie.

Se pueden usar los metarrotores para accionar micromáquinas formadas por trenes de engranajes. Solo el metarrotor es activo, controlado por luz, mientras el resto de los microrrotores son pasivos. Como en cualquier sistema de engranajes, se puede modificar el número de dientes para cambiar la velocidad angular de cada uno (relativa a la del metarrotor). La ventaja del nuevo diseño es que se pueden desarrollar multitud de combinaciones de engranajes. Por ahora, todos los diseños son prototipos sin una aplicación bien definida. Pero cualquier ingeniero mecánico podrá imaginar múltiples aplicaciones para este tipo de sistemas.

El control del sentido de rotación se puede lograr usando luz polarizada circularmente. Para ello se divide la metasuperficie en ocho regiones (en la figura coloreaado con dos tonos). La figura ilustra con flechas blancas las fuerzas sobre cada región bajo irradiación polarizada linealmente, circularmente hacia la izquierda y hacia la derecha (observa la letra E con una flecha doble, o rodeada de una flecha circular en ambos sentidos). El cambio de la irradiación con el tiempo permite controlar los cambios en el sentido de rotación de forma muy sencilla, como ilustran las figuras de la velocidad angular (en el prototipo presenta algunos picos que indican que no se ha afinado la consigna de control, pero que se espera que puedan ser evitadas con un rediseño de los detalles de la metasuperficie).

Realmente es fascinante lo que se puede fabricar en chip con las tecnologías de litografía actuales. Estas metamáquinas microscópicas con piñones y cremalleras son realmente increíbles. Por supuesto, me preguntarás cuáles son sus aplicaciones. Los autores del artículo sugieren que, como este sistema es biocompatible y la luz polarizada no es tóxica, podrían usarse estos metarrotores para manipular materia biológica, como bacterias y células. Además, proponen que serían útiles para la manipulación de elementos ópticos coplanares, como metalentes de alta apertura numérica, como las usadas en la manipulación óptica precisa de objetos coloidales. También se podrían usar para aplicaciones avanzadas, como el desarrollo de dispositivos mecánicos programables que modifiquen las propiedades ópticas de materiales microestructurados. Y como las fuerzas observadas están en la escala de los femtonewton, estos micromecanismos podrían usarse en metrología micromecánica, para en chip fuerzas mecánicas sobre células o incluso sobre macromoléculas biológicas, como el ADN. Pero, como estamos ante un prototipo, solo la imaginación pondrá límites a las aplicaciones futuras de estas metamáquinas.