Xiaofei Wu et al. / Nature Nanotechnology, 2022
Инженеры из Университета Вюрцбурга создали микроскопические дроны весом около 2 пикограмм и размерами около 2 микрометров, которые могут
передвигаться под воздействием света. В качестве моторов в них используются плазмонные наноантенны, выполненные из объединенных в группы нескольких золотых
наностержней. Падающий на них свет с определенной длиной волны и поляризацией
приводит к возникновению тяги за счет направленного рассеяния. Разработчики
планируют, что микродроны, по размерам примерно равные одной трети эритроцита человека, могут пригодиться в научных экспериментах для манипуляции
микрообъектами и доставки инструментов и полезной нагрузки, говорится в статье,
опубликованной в журнале Nature Nanotechnology.
Как
известно, электромагнитное излучение, падающее на поверхность, оказывает на нее
давление.
Это объясняется тем, что фотоны, сталкиваясь с облучаемой поверхностью,
передают ей свой импульс. На этом эффекте, например, основана концепция солнечного паруса, когда давление солнечного света на
поверхность легкого зеркального материала с большой площадью, используется для перемещения
космического аппарата в космосе.
В земных условиях давление света обычно не оказывает заметного влияния на
макроскопические тела. Однако все меняется в случае значительного уменьшения
размеров и массы объекта. В этом случае импульса, передаваемого объекту падающими фотонами излучения, уже
может быть достаточно для того, чтобы заставить его двигаться.
Инженеры из Германии под руководством Сяофэя У (Xiaofei Wu) из Университета
Вюрцбурга использовали свет для управления движением микроскопических дронов,
размеры которых составляют два микрометра, а вес равен приблизительно два пикограмма. Для сравнения размеры устройства составляют примерно одну треть от клетки эритроцита человека. Корпус микродрона представляет собой прозрачную пластину из полимерного соединения
силсесквиоксана водорода, который обычно применяют как резист в
электронно-лучевой литографии.
Процесс создания микродрона из слоев силсесквиоксана водорода с помощью электронно-лучевой литографии (EBL) и буферного оксидного травления (BOE) на подложке из оксида индия-олова и стекла
Xiaofei Wu et al. / Nature Nanotechnology, 2022
Изображения готовых микродронов и наноантенн, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (а-е); микродроны в капле воды (f) .
Xiaofei Wu et al. / Nature Nanotechnology, 2022
В корпусе микродрона в определенной конфигурации располагаются несколько золотых
наностержней, объединенных в группы. Они выступают роли плазмонных наноантенн,
которые за счет эффекта плазмонного резонанса рассеивают падающее на них электромагнитное излучение определенной длины волны в заданном направлении. Оно определяется поляризацией падающего света, а также взаимным
расположением и размером элементов наноантенны. При этом в противоположном излучению
направлении возникает сила отдачи, способная заставить микроскопический дрон
двигаться.
Инженеры разработали два типа плазмонных наномоторов. Конфигурация первого
типа может создавать тягу в одном из двух противоположных направлений, которые
определяются направлением круговой поляризации света, попадающего на
наностержни, в то время как вторая может генерировать тягу только в одном
направлении. Оба типа наномоторов могут быть настроены на определенную длину
волны излучения, и, таким образом, включаться независимо друг от друга. Кроме того, оказалось, что для работы устройства нет необходимости в точной фокусировке светового луча, а величина создаваемой оптическими моторами тяги зависит только от интенсивности воздействующего на них электромагнитного
излучения.
Схема актуации для двух и четырехмоторного микродрона, круговые стрелки оранжевого и красного цветов показывают длину волны (830 и 980 нм соответственно) и направление круговой поляризации управляющего света
Xiaofei Wu et al. / Nature Nanotechnology, 2022
Двух наномоторов первого типа, расположенных по краям центральной части корпуса достаточно для создания дрона с двумя степенями
свободы в двумерном пространстве. Он способен двигаться вперед и назад при
одновременном включении тяги двух моторов в одном направлении, а также
вращаться вокруг вертикальной оси, если активировать их разнонаправленно.
Второй тип нанодвигателя позволил инженерам создать микродрон с тремя
степенями свободы. Он может передвигаться вперед и назад, сдвигаться влево и вправо,
а также поворачивать. Его система управления напоминает способ управления
квадрокоптером. В этом случае те моторы из четырех установленных на микродроне, которые расположенны спереди и сзади, попарно активируются светом с одинаковой длиной
волны. Моторы, располагающиеся на диагонали, имеют разнонаправленную тягу и активируются
светом с одинаковым направлением круговой поляризации (но разными длинами волн).
Поэтому при увеличении интенсивности управляющего света с одинаковой
поляризацией происходит и увеличение тяги расположенных по диагонали двигателей
и микродрон совершает соответствующий поворот, аналогично тому, как это
происходит и в случае квадрокоптера, поворот которого вокруг вертикальной оси
происходит при одновременном изменении тяги двух моторов, расположенных по диагонали.
В качестве источников света для экспериментов с прототипами инженеры выбрали
два лазера с длинами волн 830 и 980 нанометров, то есть оранжевого и красного
цветов. А сами испытания проходили в водной среде. Помимо движения вперед,
назад, влево и вправо, микродроны продемонстрировали способность двигаться и по
более сложным траекториям, например, по спирали или по траектории в форме цифры
восемь. Линейная скорость составила восемь нанометров в миллисекунду при интенсивности источников света около 0,3 милливатт на квадратный микрометр.
Из-за небольших размеров микродронов, оказалось, что на них оказывает
влияние броуновское движение частиц жидкости, в которой они находятся. Из-за
этого происходят постоянные небольшие хаотические изменения положения в
пространстве и, как следствие, отклонение от заданной траектории. В будущем
разработчики планируют добавить в систему управления петлю обратной связи,
чтобы в реальном времени компенсировать внешние воздействия на устройство. По
их расчетам это позволит снизить величину случайного отклонения траектории до
величин менее 10 нанометров.
Ранее мы рассказывали про изобретение инженеров из
Бельгии и Франции, которые создали систему для управления плавающими на
поверхности воды микрообъектами с помощью инфракрасного лазера. В основе лежит
эффект возникновения термокапиллярных конвекционных потоков в жидкости из-за
изменения величины поверхностного натяжения при локальном нагреве.
Андрей Фокин