Licht-getriebene Mikrodronen

• Antragsteller: Professor Dr. Bert Hecht; Dr. Xiaofei Wu
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Mikrosysteme ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 438123468

Wir schlagen die Entwicklung mikrometergroßer ferngesteuerter Objekte vor, die mithilfe optischer Nanomotoren in allen sechs Freiheitsgraden einer dreidimensionalen Bewegung manövriert werden können. Die optischen Nanomotoren sind so konzipiert, dass sie eine resonante gerichtete Streuung unfokussiert einfallender Photonen bestimmter Wellenlängen und zirkularer Polarisationen bewirken. Mit einer speziellen Anordnung mehrerer solcher Nanomotoren, eingebettet in einen mikroskopischen transparenten Körper, soll es ermöglicht werden, eine unabhängige Kontrolle über alle Freiheitsgrade dieses Körpers zu implementieren, d.h. vorwärts-rückwärts, links-rechts, up-down, yaw, pitch und roll. Eine solche vollständige Steuerung wird es uns ermöglichen, eine schnelle Rückkopplungsschleife zu implementieren, um Brownscher Bewegung entgegenzuwirken und so die Position und Ausrichtung der Mikrodrohnen mit sehr hoher Präzision zu stabilisieren, was der Funktionalität makroskopischer Multirotor-Drohnen entspricht. Diese Analogie führt zur Bezeichnung "lichtgetriebene Mikrodrohnen". Während der ersten Förderperiode haben wir erfolgreich Mikrodrohnen entwickelt, die in der Lage sind, in drei Achsen einer 2D-Bewegung zu manövrieren - translationale Bewegungen in Vorwärts-Rückwärts- und Links-Rechts-Richtung sowie Rotation, und dies in Nature Nanotechnology veröffentlicht. Darüber hinaus haben wir einen Machbarkeitsnachweis für eine 2D-Feedback-Steuerung zur Stabilisierung von Position und Ausrichtung gegen Brownsche Bewegung erbracht. Das Design umfasst Mikrodrohnen, die mit vier Nanomotoren ausgestattet sind, die durch Modulation der Leistung und Polarisation zweier unfokussierter Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen gesteuert werden. In diesem Folgeantrag wollen wir die Entwicklung von lichtgetriebenen Mikrodrohnen abschließen und eine umfassende 3D-Manövrierfähigkeit in Kombination mit einer fortgeschrittenen Feedback-Steuerung für präzise Bewegung im Nanometerbereich erreichen. Darüber hinaus werden wir mikrofluidische Chips implementieren, um die experimentellen Möglichkeiten zu verbessern und Anwendungen von Mikrodrohnen zu ermöglichen und gleichzeitig die Wiederverwendbarkeit zu verbessern. Unter Nutzung dieses voll entwickelten Mikrodronensystems werden wir ein zentrales Anwendungsexperiment durchführen, bei dem eine Mikrodrohne mit einer resonanten Gold-Nanospitze eingesetzt wird, um die Membran einer lebenden Zelle in einem flüssigen Medium mit hoher Präzision abzurastern. Ziel ist es, spitzenverstärkte Raman-Spektren von Membranproteinen zu messen und das signifikante Potenzial von Mikrodrohnen als robuste Plattform für die Durchführung hochpräziser Mess- und Manipulationsaufgaben zu demonstrieren, was neue Wege für innovative experimentelle Forschung eröffnete.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen