利用光驱动微型无人机为纳米传感和运动创造可能性

       德国维尔茨堡大学的物理学家近期成功利用光在水环境中推动尺寸为微米级的物体，并能够在三个自由度（两个平移度和一个旋转度）的表面上精确控制它们。 科学家们表示，目前所展示的对微纳尺寸级别物体的控制水平，为精准控制纳米结构的组装开辟了可能性。比如以纳米精度分析表面、生殖医学、载运细胞运输和释放，以及纳米和中尺度级别物体的传感。

       研究人员在一篇已发表的论文中提到，“当光子与物质相互作用时，力和扭矩分别源自于线性和角动量的转移。由此产生的加速度对于宏观物体来说很小，但对于质量和惯性矩小的微观物体来说却恰恰相反，因此使得光子反冲对于推动微纳尺度的物体非常有吸引力。”

       比如，即使手持式激光指示器在“发射”时会发出定向的光粒子流，但是却不会产生明显的反冲力。这是因为与光粒子离开指示器时产生的非常小的反冲脉冲相比，激光器的质量非常大。 但尽管如此，光学反冲力会对相应的小颗粒产生非常大的影响。正如彗星的尾部指向远离太阳的部分原因就是光压。

       通过光帆推进轻型航天器的方案也被反复讨论过，最近一次是与突破摄星项目有关，在该项目中，一队微型航天器将被送往半人马座阿尔法星。

图1 四轴飞行器和微型无人机的尺寸比较。 维尔茨堡大学的物理学家以飞行器为灵感，在水环境中开发微型无人机，并在具有三个自由度的表面上精确控制它们。该项工作可用于纳米尺度的传感以及生殖医学等领域。

       Würzburg 的团队从普通的四轴无人机中汲取灵感，这种无人机的四个独立旋翼可以完全控制运动状态。尽管已知微纳物体对纳米结构的组装很有效，但处理这些物体依旧十分困难。

       研究人员将这些微小的圆盘状物体称为他们研发的微型无人机。其由一个直径为 2.5 微米的透明聚合物圆盘组成，在尺寸上来说它们比红细胞还要小。聚合物圆盘中嵌入了四个由金制成的独立可寻址纳米电机。纳米电机是手性等离子体纳米天线，它将驱动光的圆偏振分量共振散射到明确定义的方向。他们使用波长为 830 和 980 nm 的两个重叠的非聚焦光场作为光源。

       Bert Hecht教授团队的博士后、Experimental Physics 5主席、维尔茨堡微纳团队的Xiaofei Wu带领了该研究。他说，“这些电机，即尺寸小于光波长的微小金属结构是基于维尔茨堡开发的光学天线。”

       “这些天线专门针对接收圆偏振光进行了优化。 无论无人机的方向如何，微纳电机都可以接收光线，大大提高了适用性。 下一步，接收到的光能随后由微纳电机沿特定方向发射以产生光学反冲力，这取决于偏振的旋转方向（顺时针或逆时针）和两种不同波长的光中的任一种。 ”

       研究人员说，由于无人机的质量非常小，因此加速度可以达到一个很高的程度。

图2 在红细胞之间具有两个主动光驱动纳米马达的微型无人机的艺术表现。由 Thorsten Feichtner/维尔茨堡大学提供。

       Hecht和他的团队于 2016 年开始开发这些微型无人机。他们的目标是开发能够通过偏振激光束控制和供电的纳米无人机。

       纳米马达的精准的制造对于微型无人机的功能至关重要。研究人员使用加速氦离子作为从单晶金中切割纳米结构，是该项工作中非常关键的一步。接下来，使用电子束光刻生产无人机机身。最后，将无人机从基板上分离出来并放入溶液中。

       在进一步的实验中，研究人员正在设计一个反馈回路来自动纠正对微型无人机的外部影响，从而更精确地控制它们。 此外，研究团队努力完成控制选项，以便无人机在地表以上的高度也可以控制。 他们的另一个目标是将功能工具附加到微型无人机上。

       该研究被发表在Nature  Nanotechnolog y(www.doi.org/10.1038/s41565-022-01099-z)上。