Microdrones mit lichtgetriebenen Nanomotoren

Ein tragbarer Laserpointer erzeugt beim „Abfeuern“ keine merklichen Rückstoßkräfte – obwohl er einen gerichteten Strom von Lichtpartikeln aussendet. Grund dafür ist seine sehr große Masse im Vergleich zu den sehr kleinen Rückstoßimpulsen, die die Lichtteilchen beim Verlassen des Laserpointers verursachen.

Längst ist jedoch klar, dass optische Rückstoßkräfte auf entsprechend kleine Partikel tatsächlich eine sehr große Wirkung haben können. Die Schweife von Kometen zum Beispiel zeigen zum Teil aufgrund des Lichtdrucks von der Sonne weg. Auch der Antrieb von leichten Raumfahrzeugen über Lichtsegel wurde immer wieder diskutiert, zuletzt im Zusammenhang mit dem Projekt „Star Shot“, bei dem eine Flotte von Miniatur-Raumfahrzeugen nach Alpha Centauri geschickt werden soll.

Gewöhnliche Quadcopter-Drohnen als Modelle

Im Tagebuch Natur Nanotechnologiehaben Würzburger Physiker um Professor Bert Hecht (Lehrstuhl für Experimentalphysik 5, AG Nanooptik) nun erstmals gezeigt, dass es möglich ist, mikrometergroße Objekte in einer wässrigen Umgebung nicht nur effizient mit Licht anzutreiben, sondern auch zu steuern sie genau auf einer Fläche mit allen drei Freiheitsgraden (zwei translatorische plus einer rotatorischen).

Dabei ließen sie sich von gewöhnlichen Quadcopter-Drohnen inspirieren, bei denen vier unabhängige Rotoren eine vollständige Kontrolle der Bewegungen ermöglichen. Solche Kontrollmöglichkeiten bieten völlig neue Optionen für die meist äußerst schwierige Handhabung von Nano- und Mikroobjekten, beispielsweise beim Aufbau von Nanostrukturen, bei der nanometergenauen Analyse von Oberflächen oder im Bereich der Reproduktionsmedizin.

Polymerscheiben mit bis zu vier lichtgetriebenen Nanomotoren

Die Würzburger microdrones bestehen aus einer transparenten Polymerscheibe mit einem Durchmesser von 2,5 Mikrometern. In diese Scheibe sind bis zu vier unabhängig adressierbare Nanomotoren aus Gold eingebettet.

„Diese Motoren basieren auf in Würzburg entwickelten optischen Antennen – also winzigen metallischen Strukturen mit Abmessungen kleiner als die Lichtwellenlänge“, sagt Xiaofei Wu, Postdoc in der Hecht-Forschungsgruppe. „Diese Antennen wurden speziell für den Empfang von zirkular polarisiertem Licht optimiert. Dadurch können die Motoren das Licht unabhängig von der Ausrichtung der Drohne empfangen, was für die Anwendbarkeit entscheidend ist. In einem weiteren Schritt wird die empfangene Lichtenergie dann vom Motor abgestrahlt eine bestimmte Richtung, um eine optische Rückstoßkraft zu erzeugen, die vom Drehsinn der Polarisation (im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn) und von einer von zwei verschiedenen Lichtwellenlängen abhängt.

Nur mit dieser Idee konnten die Forscher ihre microdrones effizient und präzise steuern. Durch die sehr geringe Masse der Drohnen können extreme Beschleunigungen erreicht werden.

Die Entwicklung der microdrones war herausfordernd. Es begann bereits 2016 mit einem Forschungsstipendium der VW-Stiftung für riskante Projekte.

Präzise Fertigung auf Basis von einkristallinem Gold

Entscheidend für die Funktion der microdrones ist die äußerst präzise Fertigung der Nanomotoren. Die Verwendung von beschleunigten Heliumionen als Mittel zum Schneiden von Nanostrukturen aus monokristallinem Gold hat sich als bahnbrechend herausgestellt. In weiteren Schritten wird der Drohnenkörper mittels Elektronenstrahllithographie hergestellt. Abschließend müssen die Drohnen vom Substrat gelöst und in Lösung gebracht werden.

In weiteren Experimenten wird eine Rückkopplungsschleife implementiert, um äußere Einflüsse auf die microdrones automatisch zu korrigieren und sie präziser zu steuern. Darüber hinaus strebt das Forschungsteam an, die Steuerungsmöglichkeiten zu vervollständigen, sodass auch die Höhe der Drohnen über der Oberfläche gesteuert werden kann. Und natürlich ist ein weiteres Ziel, funktionale Tools an den microdrones anzubringen.