Microdrones met door licht aangedreven nanomotoren

Een handlaseraanwijzer produceert geen merkbare terugstootkrachten wanneer deze wordt “afgevuurd”, hoewel deze een gerichte stroom lichtdeeltjes uitzendt. De reden hiervoor is de zeer grote massa in vergelijking met de zeer kleine terugstootimpulsen die de lichtdeeltjes veroorzaken bij het verlaten van de laserpointer.

Het is echter al lang duidelijk dat optische terugstootkrachten inderdaad een zeer groot effect kunnen hebben op overeenkomstig kleine deeltjes. Zo wijzen de staarten van kometen mede door lichte druk weg van de zon. De voortstuwing van lichte ruimtevaartuigen via lichte zeilen is ook herhaaldelijk besproken, meest recentelijk in verband met het “star shot”-project, waarbij een vloot miniatuurruimtevaartuigen naar Alpha Centauri wordt gestuurd.

Gewone quadcopter-drones als modellen

In het journaal Natuur Nanotechnologiehebben natuurkundigen uit Würzburg onder leiding van professor Bert Hecht (voorzitter van Experimental Physics 5, Nano-Optics Group) nu voor het eerst aangetoond dat het niet alleen mogelijk is om objecten ter grootte van een micrometer efficiënt met licht voort te stuwen in een waterige omgeving, maar ook om ze precies op een oppervlak met alle drie de vrijheidsgraden (twee translatie plus één rotatie).

Daarbij werden ze geïnspireerd door gewone quadcopter-drones, waar vier onafhankelijke rotors volledige controle over de bewegingen mogelijk maken. Dergelijke besturingsmogelijkheden bieden volledig nieuwe mogelijkheden voor de doorgaans uiterst moeilijke hantering van nano- en micro-objecten, bijvoorbeeld voor de assemblage van nanostructuren, voor de analyse van oppervlakken met nanometerprecisie of op het gebied van reproductieve geneeskunde.

Polymeerschijven met maximaal vier door licht aangedreven nanomotoren

De Würzburg-microdrones bestaan ​​uit een transparante schijf van polymeer met een diameter van 2,5 micrometer. In deze schijf zijn maximaal vier onafhankelijk adresseerbare nanomotoren van goud ingebed.

“Deze motoren zijn gebaseerd op optische antennes die in Würzburg zijn ontwikkeld, dat wil zeggen kleine metalen structuren met afmetingen die kleiner zijn dan de golflengte van licht”, zegt Xiaofei Wu, een postdoc in de onderzoeksgroep Hecht. “Deze antennes zijn specifiek geoptimaliseerd voor het ontvangen van circulair gepolariseerd licht. Hierdoor kunnen de motoren het licht ontvangen ongeacht de oriëntatie van de drone, wat cruciaal is voor de toepasbaarheid. In een volgende stap wordt de ontvangen lichtenergie vervolgens uitgezonden door de motor in een specifieke richting om optische terugstootkracht te genereren, die afhangt van de draairichting van de polarisatie (met de klok mee of tegen de klok in) en van een van twee verschillende golflengten van licht.”

Alleen met dit idee konden de onderzoekers hun microdrones efficiënt en nauwkeurig aansturen. Door de zeer kleine massa van de drones kunnen extreme versnellingen worden bereikt.

De ontwikkeling van de microdrones was een uitdaging. Het begon in 2016 met een onderzoeksbeurs van de VW Foundation voor risicovolle projecten.

Nauwkeurige fabricage op basis van monokristallijn goud

De uiterst nauwkeurige fabricage van de nanomotoren is cruciaal voor de functie van de microdrones. Het gebruik van versnelde heliumionen als middel om nanostructuren uit monokristallijn goud te snijden, is een gamechanger gebleken. In verdere stappen wordt het dronelichaam geproduceerd met behulp van elektronenstraallithografie. Ten slotte moeten de drones van de ondergrond worden losgemaakt en in oplossing worden gebracht.

In verdere experimenten wordt een feedbacklus geïmplementeerd om externe invloeden op de microdrones automatisch te corrigeren om ze nauwkeuriger aan te sturen. Verder streeft het onderzoeksteam ernaar om de besturingsmogelijkheden volledig te maken, zodat ook de hoogte van de drones boven het oppervlak kan worden gecontroleerd. En natuurlijk is een ander doel om functionele hulpmiddelen aan de microdrones te bevestigen.