Representação artística de um microdrone com dois nanomotores ativos acionados por luz entre os glóbulos vermelhos. Crédito: Thorsten Feichtner
Um ponteiro laser portátil não produz forças de recuo perceptíveis quando é “disparado” – mesmo que emita um fluxo direcionado de partículas de luz. A razão para isso é simplesmente por causa de sua massa relativamente enorme em comparação com os impulsos de recuo muito pequenos que as partículas de luz causam quando saem do ponteiro laser.
No entanto, há muito está claro que as forças de recuo óptico podem de fato ter um efeito significativo em partículas correspondentemente pequenas. Por exemplo, as caudas dos cometas apontam para longe do Sol, em parte devido à leve pressão. A propulsão de naves espaciais leves através de velas leves também foi discutida repetidamente, mais recentemente em conexão com o projeto “starshot”, no qual uma frota de naves espaciais em miniatura deve ser enviada para Alpha Centauri.
Drones quadcopter comuns como modelos
No jornal Natureza Nanotecnologiaos físicos de Würzburg liderados pelo professor Bert Hecht (Chair of Experimental Physics 5, Nano-Optics Group) mostraram agora pela primeira vez que é possível não apenas impulsionar com eficiência objetos de tamanho micrométrico em um ambiente aquoso com luz, mas também controlar precisamente em uma superfície com todos os três graus de liberdade (dois translacionais mais um rotacional).
Comparação de tamanho entre quadrocopter e microdrone. Crédito: Xiaofei Wu
Ao fazer isso, eles se inspiraram em drones quadcopter comuns, onde quatro rotores independentes permitem o controle total dos movimentos. Tais possibilidades de controle oferecem opções completamente novas para o manuseio geralmente extremamente difícil de nano e micro-objetos, por exemplo, para a montagem de nanoestruturas, para a análise de superfícies com precisão nanométrica ou no campo da medicina reprodutiva.
Discos de polímero com até quatro nanomotores acionados por luz
Os microdrones de Würzburg consistem em um disco de polímero transparente de 2,5 micrômetros de diâmetro. Até quatro nanomotores endereçáveis independentemente feitos de ouro são incorporados neste disco.
“Esses motores são baseados em antenas ópticas desenvolvidas em Würzburg, ou seja, pequenas estruturas metálicas com dimensões menores que o comprimento de onda da luz”, diz Xiaofei Wu, pós-doutorando do grupo de pesquisa Hecht. “Essas antenas foram especificamente otimizadas para receber luz circularmente polarizada. Isso permite que os motores recebam a luz independentemente da orientação do drone, o que é crucial para a aplicabilidade. Em uma etapa adicional, a energia de luz recebida é então emitida pelo motor em uma direção específica para gerar força de recuo óptico, que depende do sentido de rotação da polarização (no sentido horário ou anti-horário) e em qualquer um dos dois comprimentos de onda diferentes da luz. ”
Foi somente com essa ideia que os pesquisadores conseguiram controlar seus microdrones com eficiência e precisão. Devido à massa muito pequena dos drones, acelerações extremas podem ser alcançadas.
O desenvolvimento dos microdrones foi um desafio. Tudo começou em 2016 com uma bolsa de pesquisa da Fundação VW dedicada a projetos arriscados.
Fabricação precisa baseada em ouro de cristal único
A fabricação extremamente precisa dos nanomotores é crucial para o funcionamento dos microdrones. O uso de íons de hélio acelerados como meio de cortar nanoestruturas de ouro monocristalino acabou sendo um divisor de águas. Em outras etapas, o corpo do drone é produzido usando litografia por feixe de elétrons. Finalmente, os drones devem ser destacados do substrato e colocados em solução.
Em outros experimentos, um loop de feedback está sendo implementado para corrigir automaticamente as influências externas nos microdrones para controlá-los com mais precisão. Além disso, a equipe de pesquisa se esforça para completar as opções de controle para que a altura dos drones acima da superfície também possa ser controlada. E, claro, outro objetivo é anexar ferramentas funcionais aos microdrones.
Referência: “Microdrones movidos a luz” de Xiaofei Wu, Raphael Ehehalt, Gary Razinskas, Thorsten Feichtner, Jin Qin e Bert Hecht, 21 de abril de 2022, Natureza Nanotecnologia.
DOI: 10.1038/s41565-022-01099-z
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