Microdrones avec nanomoteurs pilotés par la lumière

De toutes nouvelles possibilités pour la manipulation habituellement très difficile des nano- et micro-objets

25.04.2022 - Allemagne

Propulser des drones de taille micrométrique en utilisant uniquement la lumière et en exerçant un contrôle précis : Des physiciens de l'Université de Würzburg y sont parvenus pour la première fois. Leurs microdrones sont nettement plus petits que des globules rouges.

Un pointeur laser à main ne produit aucune force de recul perceptible lorsqu'il est "tiré", bien qu'il émette un flux dirigé de particules lumineuses. Cela s'explique par sa masse très importante par rapport aux très petites impulsions de recul que les particules de lumière provoquent en quittant le pointeur laser.

Cependant, il est clair depuis longtemps que les forces de recul optiques peuvent effectivement 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 par des voiles légères a également été évoquée à plusieurs reprises, notamment dans le cadre du projet "star shot", qui prévoit l'envoi d'une flotte d'engins spatiaux miniatures vers Alpha Centauri.

Des drones quadcoptères ordinaires comme modèles

Dans la revue Nature Nanotechnology, des physiciens de Würzburg dirigés par le professeur Bert Hecht (chaire de physique expérimentale 5, groupe de nano-optique) ont 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 les contrôler précisément sur une surface avec les trois degrés de liberté (deux translations et une rotation).

Pour ce faire, ils se sont inspirés des drones quadcoptères ordinaires, où quatre rotors indépendants permettent un contrôle complet des mouvements. Ces possibilités de contrôle offrent des options totalement nouvelles pour la manipulation habituellement 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 reproductive.

Disques polymères avec jusqu'à quatre nanomoteurs pilotés par la lumière

Les microdrones de Würzburg sont constitués d'un disque en polymère transparent de 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, postdoc dans le 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 (sens horaire ou antihoraire) et de l'une ou l'autre des deux longueurs d'onde de la lumière."

C'est grâce à cette idée que les chercheurs ont pu contrôler leurs microdrones de manière efficace et précise. En raison de la très faible masse des drones, des accélérations extrêmes peuvent être atteintes.

Le développement des microdrones a été un véritable défi. Il a débuté en 2016 avec une bourse de recherche de la Fondation VW dédiée aux projets à risque.

Fabrication précise à partir d'or monocristallin

La fabrication extrêmement précise des nanomoteurs est cruciale pour le fonctionnement des microdrones. L'utilisation d'ions hélium accélérés comme moyen de découper des nanostructures dans de l'or monocristallin s'est avérée être un changement de jeu. Au cours des étapes suivantes, le corps du drone est fabriqué 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. En outre, 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 de fixer des outils fonctionnels sur les microdrones.

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