Mikrodrohnen mit Lichtantrieb

Ein Laserpointer produziert keine merklichen Rückstoß, obwohl er einen gerichteten Strom von Photonen aussendet. Der Grund dafür ist seine sehr große Masse im Vergleich zu den sehr kleinen Kraftstößen, welche die Licht­teilchen beim Verlassen des Laser­pointers bewirken. Doch optische Rück­stoß­kräfte können sehr wohl eine merkliche Wirkung auf kleine, leichte Teilchen haben. Forschern der Uni Würzburg um Bert Hecht gelang es jetzt erstmals, mikro­meter­kleine Objekte in einer wässrigen Umgebung mit Licht nicht nur effizient anzu­treiben, sondern sie auch präzise zu steuern.

Dabei haben sich die Wissen­schaftler ein Beispiel an gewöhn­lichen Flug-Drohnen genommen, bei denen vier unabhängige Rotoren eine voll­ständige Kontrolle der Bewegungen ermöglichen. Solche Steuer­möglich­keiten eröffnen völlig neue Optionen für die gewöhnlich äußerst schwierige Handhabung von Nano- und Mikro­objekten, zum Beispiel für den Zusammenbau von Nano­strukturen, für die Analyse von Ober­flächen mit Nano­meter­präzision oder im Bereich der repro­duk­tiven Medizin.

Die Mikrodrohnen des Teams bestehen aus einer trans­parenten Polymer­scheibe von 2,5 Mikro­meter Durch­messer. In diese Scheibe sind bis zu vier Licht­motoren aus Gold einge­bettet. „Diese Motoren basieren auf von uns entwickelten optischen Antennen – also auf winzigen metal­lischen Strukturen mit Abmessungen im Bereich der Licht­wellen­länge“, erläutert Team-Mitglied Xiaofei Wu. Diese Antennen wurden speziell für den Empfang von zirkular polar­i­siertem Licht optimiert.

Dadurch können die Motoren unabhängig von der Orientierung der Drohne das Licht empfangen, was entscheidend für die Anwend­barkeit ist. In einem weiteren Schritt wird die empfangene Licht­energie dann vom Licht­motor in eine bestimmte Richtung abge­strahlt. Das geschieht sowohl in Abhängig­keit des Drehsinns der Polari­sation als auch für zwei verschiedene Licht­wellen­längen.

Erst mit dieser Idee wurde es den Forschern möglich, ihre Mikro­drohnen effizient und präzise zu steuern. Aufgrund der sehr kleinen Masse der Drohnen können dabei extreme Beschleu­ni­gungen erreicht werden.

Entscheidend für die Funktion der Mikro­drohnen ist die äußerst präzise Herstel­lung der Nano­motoren. Helium-Ionen zur Struktu­rierung von ein­kristal­linem Gold haben sich dabei als „game changer“ entpuppt. In weiteren Schritten wird der Drohnen­körper mittels Elektronen­strahl­litho­grafie hergestellt. In einem letzten Schritt müssen die Drohnen dann von der Ober­fläche gelöst und in Lösung gebracht werden.

In weiteren Experi­menten soll für die Drohnen­steuerung nun eine Rück­kopp­lungs­schleife imple­men­tiert werden, um externe Einflüsse automatisch korrigieren zu können. Weiterhin wird daran gearbeitet, die Steuer­möglich­keiten zu vervoll­ständigen, um auch die Höhe der Drohnen über der Oberfläche zu kontrol­lieren. Und natürlich ist es ein weiteres Ziel, Werkzeuge an den Mikro­drohnen anzu­bringen.

JMU Würzburg / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  X. Wu et al.: Light-driven microdrones, Nat. Nanotech., online 21. April 2022; DOI: 10.1038/s41565-022-01099-z
• Nano-Optics and Biophotonics (B. Hecht), Experimentelle Physik, Physikalisches Institut, Julius-Maximilians-Universität Würzburg