郑跃兵团队Chem. Rev.：热介导光学操控技术综述

微纳尺度下的光学操控技术对材料科学、物理学、纳米技术、生物医学技术等领域的发展意义重大。例如，光镊技术被广泛用于诸多领域，并荣获2018年诺贝尔物理学奖。近年来，研究人员进一步提出很多新型光学操控技术来强化光镊技术的性能并克服光镊技术的现有局限性。近日，德克萨斯大学奥斯汀分校郑跃兵教授（点击查看介绍）课题组在顶级材料综述期刊Chemical Reviews 上全面总结了新型“热介导光学操控技术”（或“光热操控技术”）的进展。作者先阐释了光热场的产生机制，随后分别概述了八种主要的光热操控原理，接着详细介绍了不同操控原理下的重要研究及最新进展，最后总结概述了该领域的主要挑战和未来发展方向。

（一）前言

微纳物体的精细操控在微纳制造、药物运输、生化传感、微型机器人等领域有巨大的应用价值。近几十年来，不同类型的外场，如光场、热场、电场、磁场、声场等被用于实现各类物体的精细操控。其中，以光镊为代表的光学操控技术由于其高精度、远程无接触式操控等特性获得了大量关注。为了解决传统光镊技术中高激光功率，衍射极限，以及适用范围局限性等问题，热介导光学操控技术近年来发展迅速，在大量领域中展现其广阔的应用前景与价值。

图1. 热介导光学操控技术的概览。图片来源：Chem. Rev.

（二）光热操控基本原理

材料可以通过吸收特定能量的光子激发自身电子，随后被激发电子的非辐射性衰退可以产生热量。常见的吸光发热材料有金属、碳材料及部分有机材料。通过设计材料的纳米结构，研究者可以精细调控微纳尺度下的温度场，实现对场内物体的操控。除光致加热以外，由反斯托克斯荧光导致的激光制冷技术也可被用于微纳物体的操控。

物体在温度场下会经历多种运动方式，其主要原理包括热泳、热电场、扩散电泳、光泳、自然对流、马兰戈尼对流、等离子增强的交流热电流，以及热形变等八种类型。通过对光场及热场的精细调控，热介导光学操控技术可以实现对目标物体的捕获、排斥、旋转、拉近、震荡、爬行等多种运动模式。

图2. 热介导光学操控技术的物理原理。图片来源：Chem. Rev.

（三）基于热泳的光学操控

热泳现象描述了微纳颗粒在温度梯度场下由于界面自由能变化产生的定向移动，是最容易观测及实现的热运动之一。

基于光致加热的热泳操控：通常情况下，物体在温度场中展现出疏热性并朝低温方向运动，通过设计不均一形状、材料的微粒或采用非对称光照条件，部分情况下辅以自反馈调节体系，微粒得以在温度场下长距离定向移动，可用于药物传输、环境传感、群集智能等领域的研究。除定向排斥微粒外，研究者通过设计环形吸光结构，在光照条件下产生一个外热内冷的温度阱，成功实现对单一微纳颗粒的捕捉。于此同时，通过利用温度场下粒子-溶剂界面处的熵响应及介电常数梯度，部分粒子展现出亲热性，可以朝向高温处移动并被捕获在激光中心。

基于光致制冷的热泳操控：通过激光制冷技术，微纳颗粒可以直接被捕捉在入射光场附近，并避免光热损伤。作为一种新型工具，在材料科学、物理化学和生物科学等领域具有广泛应用前景。

图3. 基于光致制冷的热泳操控技术。图片来源：Chem. Rev.

（四）基于热电场的光学操控

由于不同带电粒子在温度场下具有不同的热泳速度，在光场附近可以形成稳定的热电场，可用于带电粒子的捕获和组装。与传统光镊相比，热电光镊技术所需的激光功率要2-3个数量级。通过设计非对称光吸收微粒，可直接在微粒周围形成光热电场。通过调制光学力和热电场力的相对关系，微粒可呈现泳动与旋转两种不同运动模式，可用于微粒的高效定向传输。

图4. 热电光镊操控技术。图片来源：Chem. Rev.

（五）基于扩散电泳的光热操控

光热作用可以引发溶质粒子向低温侧的定向移动，从而在溶液中形成浓度梯度，并引发物体的扩散电泳。通过设计温度场的形状和梯度大小，胶体粒子或DNA/RNA等生物大分子可在入射光场附近以圆形或环形聚集。在另一种办法中，通过利用二元临界混合物在高温下的分解可直接在非对称吸光微粒附近形成浓度梯度，以实现其定向移动或稳定旋转。

（六）基于光泳的光学操控

光泳描述了吸光物体在温度场下通过与环境分子的动量转移进行定性移动，通常发生在气体中。光泳可由微粒表面温度差或微粒热适应系数差导致，操控的物体尺寸可从微米级直到厘米级，并已被用于立体显示等领域。

（七）基于自然对流的光学操控

自然对流描述了一种由液体密度梯度引起的对流，该密度梯度通常由温度场实现。有别于前述发生在物体-流体界面上的力，自然对流的发生对液体中实际存在的粒子无选择性，因此适用范围广。自然对流可由具有吸光性的衬底、悬浮颗粒或溶液产生。自然对流的流动形状使其能将分散在液体中的物体传输并聚集到光热场中心，实现长距离的光学捕获和组装。

（八）基于马兰戈尼对流的光热操控

马兰戈尼对流由流体-流体界面的表面张力梯度所引起，可经浓度梯度或温度梯度产生。由光热作用导致的马兰戈尼对流可直接发生于液体-空气界面，液体-液体界面，或液体内气泡-液体界面处。相较于自然对流，马兰戈尼对流通常流速更快，作用范围更广。由液体内气泡引起的马兰戈尼对流不仅可用于微米级及以上物体的单个捕捉与移动，也可用于对纳米级粒子的快速聚集与组装，有助于实现高效生物传感及化学合成等应用。而发生在液体-空气界面或液体-液体界面处的马兰戈尼对流不仅能操控固体微纳粒子，还能操纵液体粒子在另一液体中的移动。通过设计物体吸光结构或调节入射光等方式，马兰戈尼力及光学力的协同作用可以实现毫米级物体在液体-空气界面的泳动、振动、转动等不同运动模式。

图5. 基于马兰戈尼对流的光热操控技术用于实现快速生物传感。图片来源：Chem. Rev.

（九）基于等离子增强的交流热电流的光学操控

被局部加热的液体通常会产生介电常数梯度与电导率梯度。通过外加交流电场，加热液体会借此生成与自然对流相似的等离子增强的交流热电流，并且流速会比自然对流更快。等离子增强的交流热电流可以用于协助传统等离子光镊的长距离捕获捉和微纳颗粒组装，也可以被用于极小粒子（如单个蛋白质）的捕获与操控。

（十）基于光-热形变的光学操控

基于物体热形变的操控主要通过在被操控对象中添加吸光颗粒或直接将物体放置在易热形变的衬底上实现。基于热形变的操控主要分为热膨胀、热致相变、水分子吸排和表面声波四种运行机制，物体的运动则可包含蠕动、泳动、步行、跳跃、震动等多种模式。

热膨胀物体的结构可细分为两类：具有不同热膨胀系数的双层结构以及包含纳米片及吸光颗粒的水凝胶体系。前者主要是由两层物质不同热膨胀程度导致，运动模式可包含震动、蠕动、行走等模式；后者则是由热致纳米片间静电排斥导致水凝胶伸缩引起，主要的运动模式为蠕动。此外，将目标颗粒放到易热膨胀衬底上可实现目标颗粒在垂直衬底方向上的操控，可用于将微纳颗粒定向推动至另一平面。

热致相变物体主要包含两类：热响应液晶及形状记忆高分子或合金。前者通过在液晶内掺杂吸光颗粒提升光-热转换效率，热场通过改变液晶微观分子有序度实现宏观可逆形变，运动模式主要包括震动、蠕动、行走及泳动。形状记忆高分子或合金的光-热操控则以震动模式为主。

此外，将颗粒放到特定的热响应薄膜中，通过光热作用使得物体周围的薄膜“融化”，颗粒所受的阻力减小，进而能通过光学力推动其在薄膜上移动。而当撤掉入射光后，薄膜则重新固化并使得颗粒位置稳定。该过程实现了颗粒在固体衬底上的定向运输，适用于不同微纳颗粒的精确操控。

图6. 基于固体衬底热相变的光热操控。图片来源：Chem. Rev.

部分材料能够对温度变化做出响应，实现水分子的快速吸收与排放，进而实现物体自身的宏观形变。该过程不仅可以在液体中完成，同时也能在空气中实现，运动模式主要包括震动、蠕动、行走及泳动。

最后，对于金属微纳物体，光热场可导致其晶格发生膨胀，进而产生表面声波。在脉冲激光的调制下，金属纳米线或纳米片会产生周期性的膨胀与收缩，进而实现自身蠕动或转动。

（十一）总结与展望

本文通过对其他相关光学操控技术进行归纳与比较，总结出光热操控技术的主要优势体现在其操控对象的普适性和运动模式的多样性。最后，作者也给出了该领域未来发展的六种主要方向，其中包括：1）光源设计：精细设计入射光的波长、偏振、连续性、相位等；2）热调控：包括设计精密的吸光结构，利用新型光热转化材料等；3）操控对象的设计：精细设计操控物体本身的尺寸、形状以及光-热转化结构；4）外场：光-热场可以与更多类型的外场结合，如声场、磁场等，提升操控的多样性；5）操控效率与精度：通过使用可编程的光学器件实现多束激光的智能调制，或结合机器学习，提升操控的自治性、准确性与效率；6）更多应用领域：光-热操控作为一个新兴技术，未来有望在医药、微纳探测、纳米制造、基础原理研究及力学测量等领域探索更多实际的应用。

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Heat-Mediated Optical Manipulation

Zhihan Chen, Jingang Li, and Yuebing Zheng*

Chem. Rev., 2021, DOI: 10.1021/acs.chemrev.1c00626

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140余篇，论文引用逾7000次。

陈志涵，美国德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程专业博士研究生。2018年本科毕业于上海交通大学材料科学与工程学院，随后加入郑跃兵教授课题组，主要研究方向为微纳尺度下物质的光热智能操控。

李金刚，2017年本科毕业于中国科学技术大学少年班，专业为应用物理，2021年博士毕业于德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程专业，导师为郑跃兵教授。主要研究致力于光热操控与制造，光与物质的相互作用等领域，目前已在Nature Communications, Science Advances, ACS Nano, Nano Letters等国际著名刊物上以第一作者发表多篇论文。

郑跃兵

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

课题组主页

https://zheng.engr.utexas.edu/