美國物理學家阿瑟·阿什金因光鑷操控技術獲得2018年獲諾貝爾物理學獎，讓研究人員在微觀世界中也可“抓得著”物體。這一研究為物理、生物和材料科學等領域提供了顛覆性技術。但傳統(tǒng)光鑷面臨著系統(tǒng)復雜、光損傷、操控作用力小、操控顆粒范圍窄、僅適用于透明物體等諸多難題，嚴重阻礙其實際應用。
1月9日，記者從中國科學院深圳先進技術研究院了解到，該院醫(yī)工所智能醫(yī)用材料與器械研究中心研究員杜學敏團隊基于前期的研究基礎，自主研制出了新型光—電鑷原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現對不同材質、相態(tài)和形狀物體的非接觸、跨尺度、普適、多功能操控。
光調控技術新突破
新型光操控技術利用光響應性智能材料生成溫度場、電場等，有效降低了傳統(tǒng)光鑷所需的光照強度，顯著增加了操控作用力。但這類技術仍面臨系統(tǒng)復雜、低靈活性、適應性差等關鍵難題，影響了其實際應用。
2016年，杜學敏團隊開始在光—電智能材料和靜電鑷領域開展研究工作?；谇捌诠ぷ骰A，研究團隊開發(fā)出全新的光—電鑷。
該光—電鑷由兩個核心元素組成：近紅外激光光源和光—電轉換器。其中，光—電轉換器包含了研究團隊自主研發(fā)的聚偏氟乙烯—三氟乙烯高分子薄膜和潤滑層。聚偏氟乙烯—三氟乙烯高分子薄膜具有高效光熱釋電（光—電）性能，并摻雜了鎵—銦液態(tài)金屬顆粒；潤滑層具有減阻、抗污染以及消除導電介質形成的電荷屏蔽功能。薄膜和潤滑層通過兩片聚甲基丙烯酸甲酯封裝集成。
實驗結果表明，研發(fā)團隊提出的新型光—電鑷展現出了卓越、穩(wěn)定的光電轉換性能。其在每平方毫米2毫瓦的光照強度下即可產生0.26伏的表面電勢。光照強度增加可增強其光—電場，即便將表面介質厚度范圍改變?yōu)?厘米至10厘米，電導率調整范圍為每厘米1.16毫西門子至每厘米91毫西門子，其光電性能仍能保持有效。
“傳統(tǒng)光鑷需要的光強度較高，大約為每平方毫米1千萬毫瓦，這會產生光損傷問題，導致微觀尺度的調控可能會灼傷甚至殺死細胞。”杜學敏介紹，“相比之下，新型光—電鑷所需要的光照強度很低，可通過高性能的光—電轉換器產生的介電泳力操控物體，以避免高強度光對生物樣本的損傷。”
打開微觀調控大門
結合光場和電場的雙重優(yōu)勢，新型光—電鑷成功實現不同場景下的多功能操控，展現出了前所未有的靈活性和適應性。
值得關注的是，該光—電鑷能采用比傳統(tǒng)光鑷小7個數量級的光強，產生比傳統(tǒng)光鑷大7個數量級的操控作用力，成功實現了不同材質（聚合物、無機物和金屬）、不同相態(tài)（氣泡、液體和固體）、不同形狀（球體、長方體、螺旋線）和活魚卵等物體的非接觸、普適性、程序化操控。
杜學敏介紹，在應用層面，他們團隊研發(fā)的新型光—電鑷不僅可以設計成便攜式的操控平臺用于操控宏觀尺寸物體，還可與顯微成像系統(tǒng)集成，研制成顯微光—電鑷操控系統(tǒng)。
此外，光—電鑷還能實現對5微米至2.5毫米的固體顆粒、1皮升至10毫升液滴的跨尺度操控。光—電鑷還可被應用于水凝膠微型機器人組裝和任務執(zhí)行、不同材質和尺寸顆粒的篩選、活細胞的組裝、單個細胞的操控以及細胞刺激響應等微型機器人和生物醫(yī)學領域。
杜學敏表示：“光—電鑷克服了傳統(tǒng)光鑷的局限性，填補了傳統(tǒng)光鑷無法實現的宏觀和微觀物體操控之間的空白，為機器人、類器官、再生醫(yī)學、神經調控等重點前沿科技領域提供新的工具與技術。”
美國物理學家阿瑟·阿什金因光鑷操控技術獲得2018年獲諾貝爾物理學獎，讓研究人員在微觀世界中也可“抓得著”物體。這一研究為物理、生物和材料科學等領域提供了顛覆性技術。但傳統(tǒng)光鑷面臨著系統(tǒng)復雜、光損傷、操控作用力小、操控顆粒范圍窄、僅適用于透明物體等諸多難題，嚴重阻礙其實際應用。
1月9日，記者從中國科學院深圳先進技術研究院了解到，該院醫(yī)工所智能醫(yī)用材料與器械研究中心研究員杜學敏團隊基于前期的研究基礎，自主研制出了新型光—電鑷原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現對不同材質、相態(tài)和形狀物體的非接觸、跨尺度、普適、多功能操控。
光調控技術新突破
新型光操控技術利用光響應性智能材料生成溫度場、電場等，有效降低了傳統(tǒng)光鑷所需的光照強度，顯著增加了操控作用力。但這類技術仍面臨系統(tǒng)復雜、低靈活性、適應性差等關鍵難題，影響了其實際應用。
2016年，杜學敏團隊開始在光—電智能材料和靜電鑷領域開展研究工作?；谇捌诠ぷ骰A，研究團隊開發(fā)出全新的光—電鑷。
該光—電鑷由兩個核心元素組成：近紅外激光光源和光—電轉換器。其中，光—電轉換器包含了研究團隊自主研發(fā)的聚偏氟乙烯—三氟乙烯高分子薄膜和潤滑層。聚偏氟乙烯—三氟乙烯高分子薄膜具有高效光熱釋電（光—電）性能，并摻雜了鎵—銦液態(tài)金屬顆粒；潤滑層具有減阻、抗污染以及消除導電介質形成的電荷屏蔽功能。薄膜和潤滑層通過兩片聚甲基丙烯酸甲酯封裝集成。
實驗結果表明，研發(fā)團隊提出的新型光—電鑷展現出了卓越、穩(wěn)定的光電轉換性能。其在每平方毫米2毫瓦的光照強度下即可產生0.26伏的表面電勢。光照強度增加可增強其光—電場，即便將表面介質厚度范圍改變?yōu)?厘米至10厘米，電導率調整范圍為每厘米1.16毫西門子至每厘米91毫西門子，其光電性能仍能保持有效。
“傳統(tǒng)光鑷需要的光強度較高，大約為每平方毫米1千萬毫瓦，這會產生光損傷問題，導致微觀尺度的調控可能會灼傷甚至殺死細胞。”杜學敏介紹，“相比之下，新型光—電鑷所需要的光照強度很低，可通過高性能的光—電轉換器產生的介電泳力操控物體，以避免高強度光對生物樣本的損傷。”
打開微觀調控大門
結合光場和電場的雙重優(yōu)勢，新型光—電鑷成功實現不同場景下的多功能操控，展現出了前所未有的靈活性和適應性。
值得關注的是，該光—電鑷能采用比傳統(tǒng)光鑷小7個數量級的光強，產生比傳統(tǒng)光鑷大7個數量級的操控作用力，成功實現了不同材質（聚合物、無機物和金屬）、不同相態(tài)（氣泡、液體和固體）、不同形狀（球體、長方體、螺旋線）和活魚卵等物體的非接觸、普適性、程序化操控。
杜學敏介紹，在應用層面，他們團隊研發(fā)的新型光—電鑷不僅可以設計成便攜式的操控平臺用于操控宏觀尺寸物體，還可與顯微成像系統(tǒng)集成，研制成顯微光—電鑷操控系統(tǒng)。
此外，光—電鑷還能實現對5微米至2.5毫米的固體顆粒、1皮升至10毫升液滴的跨尺度操控。光—電鑷還可被應用于水凝膠微型機器人組裝和任務執(zhí)行、不同材質和尺寸顆粒的篩選、活細胞的組裝、單個細胞的操控以及細胞刺激響應等微型機器人和生物醫(yī)學領域。
杜學敏表示：“光—電鑷克服了傳統(tǒng)光鑷的局限性，填補了傳統(tǒng)光鑷無法實現的宏觀和微觀物體操控之間的空白，為機器人、類器官、再生醫(yī)學、神經調控等重點前沿科技領域提供新的工具與技術。”
本文鏈接：http://jphkf.cn/news-2-66-0.html新型光—電鑷實現對物體非接觸多功能操控
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