En handhållen laserpekare producerar inga märkbara rekylkrafter när den "avfyras" - även om den avger en riktad ström av ljuspartiklar. Anledningen till detta är dess mycket stora massa jämfört med de mycket små rekylimpulser som ljuspartiklarna orsakar när de lämnar laserpekaren.

Det har dock länge varit klart att optiska rekylkrafter verkligen kan ha en mycket stor effekt på motsvarande små partiklar. Till exempel pekar kometernas svansar bort från solen delvis på grund av lätt tryck. Framdrivning av lätta rymdfarkoster via lätta segel har också diskuterats upprepade gånger, senast i samband med projektet "stjärnskott", där en flotta av miniatyrfarkoster ska skickas till Alpha Centauri.

Vanliga quadcopter drönare som modeller

I tidskriften Nature Nanotechnology , Würzburg-fysiker under ledning av professor Bert Hecht (ordförande för Experimentell Fysik 5, Nano-Optics Group) har nu för första gången visat att det är möjligt att inte bara effektivt driva mikrometerstora objekt i en vattenhaltig miljö med ljus, utan också styra dem exakt på en yta med alla tre frihetsgraderna (två translationella plus en roterande).

Därmed inspirerades de av vanliga quadcopter-drönare, där fyra oberoende rotorer tillåter fullständig kontroll över rörelserna. Sådana kontrollmöjligheter erbjuder helt nya möjligheter för den vanligtvis extremt svåra hanteringen av nano- och mikroobjekt, till exempel för montering av nanostrukturer, för analys av ytor med nanometerprecision eller inom området reproduktionsmedicin.

Polymerskivor med upp till fyra ljusdrivna nanomotorer

Würzburg-mikrodronerna består av en transparent polymerskiva som mäter 2,5 mikrometer i diameter. Upp till fyra oberoende adresserbara nanomotorer gjorda av guld är inbäddade i denna skiva.

"Dessa motorer är baserade på optiska antenner utvecklade i Würzburg - det vill säga små metalliska strukturer med dimensioner som är mindre än ljusets våglängd", säger Xiaofei Wu, postdoc i Hecht-forskargruppen. "Dessa antenner var specifikt optimerade för att ta emot cirkulärt polariserat ljus. Detta gör att motorerna kan ta emot ljuset oavsett drönarens orientering, vilket är avgörande för tillämpbarheten. I ett ytterligare steg sänds sedan den mottagna ljusenergin ut av motorn i en specifik riktning för att generera optisk rekylkraft, som beror på polarisationens rotationskänsla (medurs eller moturs) och på någon av två olika våglängder av ljus."

Det var först med denna idé som forskarna kunde kontrollera sina mikrodroner effektivt och exakt. På grund av drönarnas mycket lilla massa kan extrema accelerationer uppnås.

Utvecklingen av mikrodronerna var utmanande. Det började redan 2016 med ett forskningsanslag från VW Foundation tillägnat riskabla projekt.

Exakt tillverkning baserad på enkristallguld

Den extremt exakta tillverkningen av nanomotorerna är avgörande för mikrodrönarnas funktion. Användningen av accelererade heliumjoner som ett sätt att skära nanostrukturer från monokristallint guld har visat sig vara en spelförändring. I ytterligare steg produceras drönarkroppen med hjälp av elektronstrålelitografi. Slutligen måste drönarna lossas från substratet och bringas i lösning.

I ytterligare experiment implementeras en återkopplingsslinga för att automatiskt korrigera yttre påverkan på mikrodronerna för att kontrollera dem mer exakt. Vidare strävar forskargruppen efter att komplettera kontrollmöjligheterna så att även drönarnas höjd över ytan kan kontrolleras. Och naturligtvis är ett annat mål att fästa funktionella verktyg till mikrodronerna. + Utforska vidare

Nanoantenner för dataöverföring