Un pointeur laser portatif ne produit aucune force de recul perceptible lorsqu’il est « tiré », même s’il émet un flux dirigé de particules lumineuses. La raison en est sa très grande masse par rapport aux très petites impulsions de recul que les particules lumineuses provoquent en quittant le pointeur laser.
Cependant, il est clair depuis longtemps que les forces de recul optique peuvent en effet avoir un effet très important sur des particules de taille correspondante. Par exemple, les queues des comètes s’éloignent du soleil en partie à cause de la pression lumineuse. La propulsion d’engins spatiaux légers via des voiles légères a également été discutée à plusieurs reprises, plus récemment dans le cadre du projet « star shot », dans lequel une flotte d’engins spatiaux miniatures doit être envoyée à Alpha Centauri.
Drones quadricoptères ordinaires comme modèles
Dans la revue Nanotechnologie de la natureles physiciens de Würzburg dirigés par le professeur Bert Hecht (chaire de physique expérimentale 5, groupe nano-optique) ont maintenant montré pour la première fois qu’il est possible non seulement de propulser efficacement des objets de taille micrométrique dans un environnement aqueux avec de la lumière, mais aussi de contrôler précisément sur une surface avec les trois degrés de liberté (deux de translation plus un de rotation).
Ce faisant, ils se sont inspirés des drones quadricoptères ordinaires, où quatre rotors indépendants permettent un contrôle complet des mouvements. De telles possibilités de contrôle offrent des options complètement nouvelles pour la manipulation généralement extrêmement difficile de nano- et micro-objets, par exemple, pour l’assemblage de nanostructures, pour l’analyse de surfaces avec une précision nanométrique ou dans le domaine de la médecine de la reproduction.
Disques polymères avec jusqu’à quatre nanomoteurs pilotés par la lumière
Les microdrones de Würzburg sont constitués d’un disque en polymère transparent mesurant 2,5 micromètres de diamètre. Jusqu’à quatre nanomoteurs en or adressables indépendamment sont intégrés dans ce disque.
« Ces moteurs sont basés sur des antennes optiques développées à Würzburg, c’est-à-dire de minuscules structures métalliques dont les dimensions sont inférieures à la longueur d’onde de la lumière », explique Xiaofei Wu, postdoctorant au sein du groupe de recherche Hecht. « Ces antennes ont été spécifiquement optimisées pour recevoir la lumière polarisée circulairement. Cela permet aux moteurs de recevoir la lumière quelle que soit l’orientation du drone, ce qui est crucial pour l’applicabilité. Dans une étape ultérieure, l’énergie lumineuse reçue est ensuite émise par le moteur dans une direction spécifique pour générer une force de recul optique, qui dépend du sens de rotation de la polarisation (dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d’une montre) et de l’une ou l’autre des deux longueurs d’onde différentes de la lumière. »
Ce n’est qu’avec cette idée que les chercheurs ont pu contrôler leurs microdrones de manière efficace et précise. En raison de la très petite masse des drones, des accélérations extrêmes peuvent être atteintes.
Le développement des microdrones était difficile. Tout a commencé en 2016 avec une bourse de recherche de la Fondation VW dédiée aux projets à risque.
Fabrication précise à base d’or monocristallin
La fabrication extrêmement précise des nanomoteurs est cruciale pour le fonctionnement des microdrones. L’utilisation d’ions d’hélium accélérés comme moyen de découper des nanostructures à partir d’or monocristallin s’est avérée changer la donne. Dans d’autres étapes, le corps du drone est produit par lithographie par faisceau d’électrons. Enfin, les drones doivent être détachés du substrat et mis en solution.
Dans d’autres expériences, une boucle de rétroaction est mise en œuvre pour corriger automatiquement les influences externes sur les microdrones afin de les contrôler plus précisément. De plus, l’équipe de recherche s’efforce de compléter les options de contrôle afin que la hauteur des drones au-dessus de la surface puisse également être contrôlée. Et bien sûr, un autre objectif est d’attacher des outils fonctionnels aux microdrones.
Xiaofei Wu, Microdrones pilotés par la lumière, Nanotechnologie de la nature (2022). DOI : 10.1038/s41565-022-01099-z. www.nature.com/articles/s41565-022-01099-z