Driver partiklar med ljusets kraft 

Mikael Käll har tidigare skapat optiska antenner i nanoskala som kan upptäcka enstaka molekyler. Nästa steg är att omvandla ljuset till mekanisk kraft i samma minimala skala. 

Mikael Käll

Professor i fysik

Wallenberg Scholar

Lärosäte:
Chalmers tekniska högskola

Forskningsområde:
Fysik

När Mikael Käll blev Wallenberg Scholar var ett av målen att identifiera enstaka molekyler, som protein och viruspartiklar, inom ramen för fältet bionanofotonik. Ett tvärvetenskapligt område som omfattar biologi, nanovetenskap och olika optiska tekniker.  

Källs forskargrupp utvecklade optiska nanoantenner som i form av enstaka metallpartiklar i guld eller silver kan fånga upp ljus. Genom ett optiskt fenomen som kallas plasmoner förstärker sedan antennerna ljuset tusenfalt. När ett protein eller virus landar på antennen så ger det utslag i form av en förändring i ljusets brytning. 

– I dag är sensoridéerna konceptuellt ganska välkända och förstådda. Nu vill jag även använda ljuset för att ge en mekaniska påverkan på de strukturer som vi kan tillverka, säger Mikael Käll. 

Rör om i grytan

Han kallar det nya området för ”aktiv bionanofotonik” och ger två exempel från doktorandarbeten inom forskargruppen. Ett där ljuset värmer upp de optiska antennerna när de är nedsänkta i vätska. Värmen skapar en bubbla av vattenånga som driver ett vätskeflöde runt antennen. 

– Förenklat uttryckt blir det ett sätt att ”röra om i grytan”. När du försöker detektera mycket låga koncentrationer behöver du skapa ett flöde för att partiklarna ska kunna upptäckas av sensorn. I annat fall tar det mycket lång tid att detektera en enstaka partikel.

Flödet kan skapas med hjälp av mikrofluidik där små pumpar driver vätska i kanaler av plast över sensorytan. Men det adderar fler tekniker vilket kan leda till onödiga komplikationer. Om sensorn själv kan skapa flödet så bibehålls teknikens enkelhet.  

– Det svåra har varit att hitta sätt att styra den process som kontrollerar vätskeflödet, men nu har vi lyckats med det, säger han.  

Fångar den optiska kraften

Det andra exemplet handlar om att omvandla ljusets inneboende kraft till en mekanisk kraft. Ljus är inte bara energi utan bär även med sig en rörelsemängd i färdriktningen. Här finns både ett vridmoment som kan få något annat att snurra, och ett linjärt moment som kan användas för att trycka på ett objekt för att få det att flytta sig. 

– Detta är rent optiska krafter som inte leder till att objektet blir varmare, men som får det att reagera med en motkraft som gör att det rör på sig, säger han. 

Forskargruppen har tillverkat ett särskilt material för att fånga upp ljusets rörelsemängdsmoment. Här beläggs en mikropartikel av en ultratunn yta, så kallad metayta, som består av nanopartiklar i en skräddarsydd struktur. Metaytan bryter ljuset i en viss riktning vilket ger en motkraft hos mikropartikeln som då driver den framåt. 

– Det låter kanske lite ”spaced out” men vi styr omkring partiklarna som små bilar med hjälp av en planvåg av ljus. Detta är nyfikenhetsdriven forskning som kanske inte får någon användning men det är intressant att se hur långt vi kan driva våra idéer kring att överföra kraft från ljus till materia, säger Mikael Käll. 

Den nyfikenhetsdrivna forskningen rör sig framåt genom att kombinera olika forskningsfält. De flesta försök omfattar optiska experiment, simuleringar, nanofabrikation och design. I exemplet med bubblorna adderas även termodynamik och flödesdynamik. 

– Det är en utmaning men det är också det som gör forskningen så rolig – att hela tiden få lära sig nya saker samtidigt som vi rör oss i outforskade områden, säger Mikael Käll. 

Processen är målet

Här finns också nya tillämpningar i sikte. Metaytorna kan användas i många applikationer, bland annat för att skapa helt platta kameralinser. Men det är inte tillämpningar som driver Mikael Käll utan den vetenskapliga diskussionen. 

– Det är själva processen som driver mig framåt. Här är ett anslag som Wallenberg Scholar viktigt eftersom det ger mig fullständig frihet att röra mig i vilken riktning jag vill. 

”Att få Wallenberg Scholar är ett fantastiskt erkännande och något som jag känner en stor tacksamhet inför. Samtidigt som det också ger lite press, så är det en stor förmån.”

Till sin hjälp har han en forskargrupp om cirka sex personer. Att gruppen inte växer sig för stor är viktigt. 

– Max är kanske åtta personer. Blir vi fler så är det svårt att verkligen interagera med alla. Jag vill inte bygga något imperium utan ha en miljö där jag kan ha en god överblick. 

Forskningens villkor är även något som intresserar honom. Han är en välkänd profil som proprefekt vid Chalmers med fokus på forsknings- och policyfrågor. 

– Det är intressant att försöka förstå forskningen ur ett större perspektiv. Hur ska vi uppnå våra resultat på bästa sätt och med högsta kvalitet, samtidigt som forskningen sker på ett etiskt och hållbart sätt? 

Han ser även en skyldighet i att engagera sig eftersom han lyckats väl i sin forskning vilket gett honom en förmånlig ställning. 

– En hel del av min forskning har drivit fältet framåt, och det som intresserar mig mest är koncepten, idéerna och att påvisa nya möjligheter. Där är det mycket viktigt att forskningen inte behöver resultera i direkt nytta utan kan vara fri, säger Mikael Käll. 

Text Magnus Trogen Pahlén 
Bild Daniel Andrén, Matjaž Golič, Anna-Lena Lundqvist

 

Mer om Mikael Källs forskning