Mikrodroner med lysdrevne nanomotorer

En håndholdt laserpointer producerer ingen mærkbare rekylkræfter, når den "affyres" - selvom den udsender en rettet strøm af lyspartikler. Årsagen til dette er dens meget store masse sammenlignet med de meget små rekylimpulser, som lyspartiklerne forårsager, når de forlader lasermarkøren.

Det har dog længe stået klart, at optiske rekylkræfter faktisk kan have en meget stor effekt på tilsvarende små partikler. For eksempel peger komethalerne væk fra solen delvist på grund af let tryk. Fremdrift af lette rumfartøjer via lette sejl har også været diskuteret gentagne gange, senest i forbindelse med "stjerneskud"-projektet, hvor en flåde af miniature-rumfartøjer skal sendes til Alpha Centauri.

Almindelige quadcopter-droner som modeller

I tidsskriftet Nature Nanotechnology , Würzburg-fysikere ledet af professor Bert Hecht (formand for Eksperimentel Fysik 5, Nano-Optics Group) har nu for første gang vist, at det ikke kun er muligt effektivt at fremdrive objekter på størrelse med mikrometer i et vandigt miljø med lys, men også at kontrollere dem præcist på en overflade med alle tre frihedsgrader (to translationelle plus en roterende).

Derved blev de inspireret af almindelige quadcopter-droner, hvor fire uafhængige rotorer giver fuld kontrol over bevægelserne. Sådanne kontrolmuligheder giver helt nye muligheder for den normalt ekstremt vanskelige håndtering af nano- og mikroobjekter, for eksempel til samling af nanostrukturer, til analyse af overflader med nanometerpræcision eller inden for reproduktionsmedicin.

Polymerskiver med op til fire lysdrevne nanomotorer

Würzburg mikrodronerne består af en transparent polymerskive, der måler 2,5 mikrometer i diameter. Op til fire uafhængigt adresserbare nanomotorer lavet af guld er indlejret i denne disk.

"Disse motorer er baseret på optiske antenner udviklet i Würzburg - det vil sige bittesmå metalliske strukturer med dimensioner mindre end lysets bølgelængde," siger Xiaofei Wu, postdoc i Hecht-forskningsgruppen. "Disse antenner var specifikt optimeret til at modtage cirkulært polariseret lys. Dette gør det muligt for motorerne at modtage lyset uanset orienteringen af ​​dronen, hvilket er afgørende for anvendeligheden. I et yderligere trin udsendes den modtagne lysenergi så af motoren i en specifik retning for at generere optisk rekylkraft, som afhænger af polarisationens rotationssans (med eller mod uret) og af en af ​​to forskellige bølgelængder af lys."

Det var kun med denne idé, at forskerne var i stand til at kontrollere deres mikrodroner effektivt og præcist. På grund af dronernes meget lille masse kan der opnås ekstreme accelerationer.

Udviklingen af ​​mikrodronerne var udfordrende. Det startede tilbage i 2016 med en forskningsbevilling fra VW Foundation dedikeret til risikable projekter.

Nøjagtig fremstilling baseret på enkeltkrystal guld

Den ekstremt præcise fremstilling af nanomotorerne er afgørende for mikrodronernes funktion. Brugen af ​​accelererede heliumioner som et middel til at skære nanostrukturer fra monokrystallinsk guld har vist sig at være en game changer. I yderligere trin fremstilles dronekroppen ved hjælp af elektronstrålelitografi. Til sidst skal dronerne løsnes fra underlaget og bringes i opløsning.

I yderligere eksperimenter implementeres en feedback-loop til automatisk at korrigere ydre påvirkninger på mikrodronerne for at kontrollere dem mere præcist. Endvidere bestræber forskerholdet sig på at færdiggøre kontrolmulighederne, så dronernes højde over overfladen også kan kontrolleres. Og selvfølgelig er et andet mål at knytte funktionelle værktøjer til mikrodronerne. + Udforsk yderligere

Nano-antenner til dataoverførsel