Représentation artistique d’un microdrone avec deux nanomoteurs actifs pilotés par la lumière entre des globules rouges. Crédit : Thorsten Feichtner
Un pointeur laser tenu à la main ne produit aucune force de recul perceptible lorsqu’il est “tiré”, même s’il émet un flux dirigé de particules lumineuses. Cela s’explique simplement par sa masse relativement énorme par rapport aux minuscules impulsions de recul que les particules de lumière provoquent lorsqu’elles quittent le pointeur laser.
Cependant, il est clair depuis longtemps que les forces de recul optiques peuvent effectivement avoir un effet significatif sur des particules de taille correspondante. Par exemple, les queues des comètes s’éloignent du Soleil en partie à cause de la pression de la lumière. La propulsion d’engins spatiaux légers par des voiles lumineuses a également été évoquée à plusieurs reprises, et plus récemment dans le cadre du projet “starshot”, qui prévoit l’envoi d’une flotte d’engins spatiaux miniatures vers Alpha Centauri.
Des drones quadcoptères ordinaires comme modèles
Dans le journal Nature Nanotechnologydes 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).
Comparaison de la taille entre un quadrocoptère et un microdrone. Crédit : Xiaofei Wu
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 de toutes nouvelles options 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 actionnés par la lumière.
Les microdrones de Würzburg se composent 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 commencé dès 2016 avec une subvention de recherche de la Fondation VW dédiée aux projets à risque.
Une fabrication précise basée sur de l’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.
Référence : “Light-driven microdrones” par Xiaofei Wu, Raphael Ehehalt, Gary Razinskas, Thorsten Feichtner, Jin Qin et Bert Hecht, 21 avril 2022, Nature Nanotechnology.
DOI: 10.1038/s41565-022-01099-z
