UT-Austin郑跃兵团队Sci. Adv.：光驱旋转“万灵药”

微米级和纳米级物体的受控旋转在传感、成像、生物医学和制造中起着至关重要的作用。微型和纳米转子（micro/nanorotors）已被证明在检测真空摩擦、纳米制造、精确的纳米手术和微流体流动控制方面是有效的。其中，光驱微型和纳米转子由于其非接触式、无燃料等原因而尤其备受追捧。然而，驱动转子的光学扭矩源于光和转子之间的不对称相互作用——这意味着旋转需要复杂的激光或具有复杂材料或形状的转子。对于简单光学器件来说，实现包括光学对称合成粒子和生物细胞在内的各种物体的光驱动旋转极具有挑战性。此外，由于光力作用方向的原因，现存的光驱转动仅能实现沿着光轴的平面内旋转（In-plane rotation）。这大大限制了光驱旋转在包括细胞生物学在内的诸多领域的应用。

为攻克这两种限制，近日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校（UT Austin）的郑跃兵团队报道了一种新型光热电旋转方法（opto–thermoelectric rotation, OTER）实现了各种形状、材质以及不同对称性的微纳米物体（含多种细胞）的平面外旋转（Out-plane rotation）。该工作近期发表在Science Advances 上，文章第一作者为博士生丁鸿儒。

光热电旋转基于对于三种热力的创新性调控。如图1所示，作者通过将一束低功率激光照射在高光吸收低热导率衬底，产生温度梯度场用以产生和调控电动力、耗尽力和热电力。其中，电动力来源于目标物体与衬底的电动相互作用，用以驱动目标物体的转动；耗尽力与热电力源自溶液中的微量高分子以及离子，用以控制目标物体的平动。

仅使用线偏振和超低功率的单个高斯激光束，该团队实现了高光学对称和均匀的微/纳米粒子的旋转。通过链接荧光纳米球的方法，高对称物体的旋转速度得以精确量化（图2）。

为证明光热旋转的普适性，该团队实现了对不同尺寸（从亚波长尺度到微米尺度）、材料（生物、聚合物、介电和复合胶体）和形状（纵横比从1至8）粒子的光驱旋转，如图3所示。值得一提的是，由于激光束远离目标物体，光照所造成的损坏被大为减少，因而此方法亦适用于各种细胞的旋转操作。由于大多数细胞表面分子分布不对称，因而细胞表面的完尽表征能力至关重要。通过与全内反射荧光显微镜（TIRF）的结合，光热电旋转可以通过将简单的激光束引入光学显微镜系统以按需旋转细胞来应对这一挑战。三维的TIRF图像助力囊泡运输等新兴研究。

此外，光热电旋转还将为测量受体-配体相互作用的技术瓶颈提供解决方案。受体与细胞表面配体的粘附介导细胞-细胞和细胞-环境通讯。尽管有多种检测方法可以测量细胞表面受体-配体对的亲和力，但要获得与许多生物事件高度相关的旋转细胞上受体的亲和力是一项挑战。凭借旋转不同单细胞的能力，光热电旋转将为滚动粘附试验开辟了一条新途径，有助于研究癌症转移和炎症反应。

郑跃兵团队通过创新地调控光、热、电三种物理现象，实现了数十种不同类型微纳米物体的旋转操作。凭借其首次实现平面外旋转和高普适性等特性，光热电旋转将作为一种新兴微纳米工具，为包括材料科学、物理化学和生物科学在内的诸多领域提供全新机遇和重要应用。

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, ACS Nano, Nano Letters, Materials Today, Advanced Functional Materials 等国际著名刊物上发表论文150余篇，论文引用逾8000次。

郑跃兵团队网站：

https://zheng.engr.utexas.edu/ 

丁鸿儒，美国德克萨斯大学奥斯汀分校机械系博士生，在郑教授团队进行光驱微纳米物体的研究。此前，他曾获澳大利亚奋进奖学金在悉尼大学进行为期半年的学术访问。于2015年以及2018年，他于华中科技大学获得本科及硕士学位。目前已在 Science Advances, ACS Nano, Nano Research, Nanoscale, Physical Review B 等国际著名刊物上以第一作者发表多篇论文。