光热电场中微型泳者的双模式智能操控

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

利用光束操控微型物体的方法一直是纳米科学的热点话题。2018年诺贝尔物理学奖授予给了光镊，主要表彰其对微米和纳米粒子的精细捕捉和操控以其相关生物应用。除了利用激光进行捕捉式操控，光学操控泳者（optical microswimmers），近年来也受到了许多关注，同时也带来了关于微型机器人、药物运输、环境净化等一系列新型应用。传统的光学microswimmer的发展一直受制于微型泳者本身由于布朗运动带来的运动方向的不确定性。主动方向控制和特异性操控一直是该领域的两大难点。最近，德克萨斯大学奥斯汀分校的郑跃兵团队和清华大学的林琳涵团队共同发明了一种基于“光-热-电”场的新型microswimmer。该microswimmer具有“游动”和“旋转”两种独立的工作模式，通过编写自反馈调节算法，团队实现了microswimmer的定向高效传输，有效地解决了上述两大难题。

图1. 光热电场下的microswimmer智能操控。(a)操控示意图。(b)Janus微粒在扩散光束中的游动和热场分布图。（c）热电场形成示意图。（c）Janus微粒在汇聚激光下的旋转运动以及热场分布图。图片来源：Light: Science & Applications

光热电型microswimmer的实现基于一种常见微型粒子结构——Janus结构。粒子的主体是微米级的聚苯乙烯小球，球表面的一半被镀上了一层纳米厚度的金膜。这种在特定平面上具有非对称物化性质的粒子称为Janus微粒。Janus微粒被均匀分散在低浓度氯化十六烷基三甲基铵 (CTAC) 溶液中。CTAC可以修饰Janus微粒使其表面带有正电荷，与此同时分解并形成CTA⁺胶粒和Cl^-离子。实验中，当一束扩散的激光打在Janus微粒表面时，由于金和聚苯乙烯的光热响应效果差别明显，一个热梯度场将在球表面和其周围形成。紧接着，热梯度场将使得CTA⁺胶粒和Cl^-离子在热泳的作用下形成一个稳定的电场，该电场会使得微粒在溶液中定向移动。但是，这种定向移动会受到粒子本身布朗运动的干扰，在数秒内就会偏离运动轨迹。为了能够主动操控粒子的运动方向，入射的扩散激光可以替换成为一束汇聚激光，使得Janus微粒能够围绕激光进行旋转。这种新型的旋转模式是通过光热电场力、光学力和斯托克斯阻力的共通作用产生的。由于Janus微粒在光热电场中的游动方向与其球心到金膜中心的矢量方向一致，实验中，每当观察到小球的金膜中心朝向指定运动方向时，汇聚激光将会及时切换为扩散激光，达到定向发射的效果。

为了更高效、准确地实现光热电型microswimmer的定向操控，团队编写了一种基于实时图像的自反馈调节算法。算法本身会将实时获得的暗场图像，处理得到的Janus微粒的运动信息，基于此对两束不同激光进行智能切换。每当微粒被检测到偏离指定路线时，光束便会切换成汇聚光束使其旋转。而当观察到小球重新指向原本路径时，光束又会切换回扩散光束，使其定向移动一段距离。通过该算法，团队使得一颗5微米直径的Janus微粒经过39秒定向运动了110微米，达到终点。基于此，光热电型microswimmer有望继续开发，进一步用于智能微型机器人、药物定向运输等领域。

图2：自反馈调节算法设计思路（左），Janus微粒定向传输到指定位置（右）。图片来源：Light: Science & Applications

这一成果近期发表在Light: Science & Applications 上，第一作者是得克萨斯大学奥斯汀分校博士研究生彭小磊和陈志涵。

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Opto-thermoelectric microswimmers

Xiaolei Peng, Zhihan Chen, Pavana Siddhartha Kollipara, Yaoran Liu, Jie Fang, Linhan Lin, Yuebing Zheng

Light Sci. Appl., 2020, 9, 141, DOI: 10.1038/s41377-020-00378-5

作者简介

郑跃兵，美国德克萨斯大学奥斯汀分校机械工程系终身教授。郑教授于2010年在宾夕法尼亚州立大学获工程科学与力学博士学位，于2010至2013年在加利福尼亚大学洛杉矶分校担任博士后研究员。其团队致力于纳米光子学的跨学科研究，包括纳米尺度下光与物质的相互作用，数字化纳米操控及加工，和用于生物医学的新型光学材料及器件。目前已在Nature Photonics, Nature Communications, Science Advances, Accounts of Chemical Research, Advanced Materials, Nano Letters, ACS Nano, Materials Today, Advanced Functional Materials 等国际著名刊物上发表论文110余篇，论文引用逾5000次。

http://zheng.engr.utexas.edu

https://www.x-mol.com/university/faculty/38310

林琳涵，清华大学精密仪器系副教授，博士生导师。在2008年和2013年先后获得清华大学材料学院学士学位和博士学位，随后在密歇根大学迪尔伯恩分校、德州大学奥斯汀分校从事博士后研究，2019年7月加入清华大学精仪系。美国光学学会高级会员(Senior member of OSA)，MDPI期刊Crystals专题编辑（Topic editor）。主要研究方向为激光精密操控与加工，光力学和光流控，纳米光学材料与器件。目前已发表SCI论文40余篇，其中以第一作者或通讯作者身份在Nature Photonics、Science Advances、Materials Today、Accounts of Chemical Research、Nano Letters、ACS Nano、Light: Science and Applications、Advanced Functional Materials 等期刊上发表论文30余篇。研究成果被Science、Nature Photonics、Discovery Channel等刊物和媒体专题报道100余次，其中部分工作被Nature 2018年诺贝尔物理学奖专刊、OPN Optics in 2018收录。

http://faculty.dpi.tsinghua.edu.cn/linlh2019.html

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是如何产生的？

A：传统的光学microswimmer在没有外加“燃料”的情况下，主要是通过两种途径对运动方向进行控制：第一种是利用粒子的布朗运动当观测到粒子朝向设定运动方向时，发射出粒子；第二类时通过设计施加强度随周期变化的光场，对溶液中所有粒子进行操控。前者的操控效率依赖于布朗运动，是一种被动操控方法，效率相对不高；后者则无法对不同粒子独立进行操控。而我们发现，在引入光热电场以后，我们可以对不同的粒子分别施加光束控制其方向，并且通过自反馈算法对其运动进行主动调制，有效解决了之前存在的这两个问题。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：研究中比较大的挑战是如何将游动和旋转两种运动模式高效地结合在一起。在我们完成了基于实时图像的自反馈算法以后，后期做了大量的调试，对其中一些具体参数，例如强度阈值、切换速度等进行调整，使其定向效率尽可能最大。未来，团队还会继续优化硬件和算法，t提升传输效率，并能用于多粒子特异性操控。

Q：该研究成果可能有哪些重要应用？

A：该体系未来可能的应用发现为药物运输。可以将药物修饰在聚丙乙烯表面，当Janus微粒达到细胞表面时，提高入射光强度可以让金膜产生足够的热量，在细胞表面打开缺口使得所承载的药物进入细胞内。与此同时，我们还预测该体系可以用于粒子信息交换等基础性研究。