Microdrones con nanomotores impulsados por la luz

Opciones completamente nuevas para la manipulación, normalmente muy difícil, de nano y microobjetos

25.04.2022 - Alemania

Propulsar drones de tamaño micrométrico utilizando únicamente la luz y ejerciendo un control preciso: Los físicos de la Universidad de Würzburg lo han conseguido por primera vez. Sus microdrones son mucho más pequeños que los glóbulos rojos.

Un puntero láser manual no produce fuerzas de retroceso perceptibles cuando se "dispara", a pesar de que emite un flujo dirigido de partículas de luz. La razón de ello es su gran masa en comparación con los pequeñísimos impulsos de retroceso que provocan las partículas de luz al salir del puntero láser.

Sin embargo, hace tiempo que está claro que las fuerzas de retroceso ópticas pueden tener un efecto muy grande en partículas correspondientemente pequeñas. Por ejemplo, las colas de los cometas se alejan del Sol en parte debido a la presión de la luz. La propulsión de naves espaciales ligeras mediante velas de luz también se ha discutido en varias ocasiones, más recientemente en relación con el proyecto "star shot", en el que se pretende enviar una flota de naves espaciales en miniatura a Alfa Centauri.

Drones cuadricópteros ordinarios como modelos

En la revista Nature Nanotechnology, físicos de Würzburg dirigidos por el profesor Bert Hecht (Cátedra de Física Experimental 5, Grupo de Nano-Optica) han demostrado por primera vez que es posible no sólo propulsar eficazmente objetos de tamaño micrométrico en un entorno acuoso con luz, sino también controlarlos con precisión en una superficie con los tres grados de libertad (dos de traslación más uno de rotación).

Para ello se han inspirado en los drones cuadricópteros normales, en los que cuatro rotores independientes permiten un control total de los movimientos. Estas posibilidades de control ofrecen opciones completamente nuevas para la manipulación de nano y microobjetos, que suele ser extremadamente difícil, por ejemplo, para el montaje de nanoestructuras, para el análisis de superficies con precisión nanométrica o en el campo de la medicina reproductiva.

Discos de polímero con hasta cuatro nanomotores accionados por luz

Los microdrones de Würzburg consisten en un disco de polímero transparente de 2,5 micrómetros de diámetro. En este disco hay incrustados hasta cuatro nanomotores de oro direccionables de forma independiente.

"Estos motores se basan en antenas ópticas desarrolladas en Würzburg, es decir, diminutas estructuras metálicas con dimensiones inferiores a la longitud de onda de la luz", explica Xiaofei Wu, postdoctorante del grupo de investigación Hecht. "Estas antenas se optimizaron específicamente para recibir luz polarizada circularmente. Esto permite que los motores reciban la luz independientemente de la orientación del dron, lo que es crucial para su aplicabilidad". En un paso más, la energía luminosa recibida es emitida por el motor en una dirección específica para generar una fuerza de retroceso óptica, que depende del sentido de rotación de la polarización (en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario) y de una de las dos longitudes de onda de la luz."

Gracias a esta idea, los investigadores pudieron controlar sus microdrones con eficacia y precisión. Gracias a la pequeña masa de los drones, se pueden conseguir aceleraciones extremas.

El desarrollo de los microdrones fue todo un reto. Comenzó en 2016 con una beca de investigación de la Fundación VW dedicada a proyectos arriesgados.

Fabricación precisa basada en oro monocristalino

La fabricación extremadamente precisa de los nanomotores es crucial para el funcionamiento de los microdrones. El uso de iones de helio acelerados como medio para cortar nanoestructuras a partir de oro monocristalino ha resultado ser un cambio de juego. En los siguientes pasos, el cuerpo del dron se fabrica mediante litografía de haz de electrones. Por último, hay que separar los drones del sustrato y ponerlos en solución.

En otros experimentos, se está implementando un bucle de retroalimentación para corregir automáticamente las influencias externas sobre los microdrones y controlarlos con mayor precisión. Además, el equipo de investigación se esfuerza por completar las opciones de control para poder controlar también la altura de los drones sobre la superficie. Y, por supuesto, otro objetivo es acoplar herramientas funcionales a los microdrones.

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