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新型光—電鑷實(shí)現(xiàn)對物體非接觸多功能操控

5個月前 來源:科技日報 觀看:107

美國物理學(xué)家阿瑟·阿什金因光鑷操控技術(shù)獲得2018年獲諾貝爾物理學(xué)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(xué)等領(lǐng)域提供了顛覆性技術(shù)。但傳統(tǒng)光鑷面臨著系統(tǒng)復(fù)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(yán)重阻礙其實(shí)際應(yīng)用。wTw即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

1月9日,記者從中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)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(xué)敏團(tuán)隊(duì)基于前期的研究基礎(chǔ),自主研制出了新型光—電鑷原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對不同材質(zhì)、相態(tài)和形狀物體的非接觸、跨尺度、普適、多功能操控。wTw即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

光調(diào)控技術(shù)新突破wTw即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

新型光操控技術(shù)利用光響應(yīng)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(qiáng)度,顯著增加了操控作用力。但這類技術(shù)仍面臨系統(tǒng)復(fù)雜、低靈活性、適應(yīng)性差等關(guān)鍵難題,影響了其實(shí)際應(yīng)用。wTw即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

2016年,杜學(xué)敏團(tuán)隊(duì)開始在光—電智能材料和靜電鑷領(lǐng)域開展研究工作?;谇捌诠ぷ骰A(chǔ),研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出全新的光—電鑷。wTw即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

該光—電鑷由兩個核心元素組成:近紅外激光光源和光—電轉(zhuǎn)換器。其中,光—電轉(zhuǎn)換器包含了研究團(tuán)隊(duì)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(dǎo)電介質(zhì)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。wTw即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出的新型光—電鑷展現(xiàn)出了卓越、穩(wěn)定的光電轉(zhuǎn)換性能。其在每平方毫米2毫瓦的光照強(qiáng)度下即可產(chǎn)生0.26伏的表面電勢。光照強(qiáng)度增加可增強(qiáng)其光—電場,即便將表面介質(zhì)厚度范圍改變?yōu)?厘米至10厘米,電導(dǎo)率調(diào)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。wTw即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

“傳統(tǒng)光鑷需要的光強(qiáng)度較高,大約為每平方毫米1千萬毫瓦,這會產(chǎn)生光損傷問題,導(dǎo)致微觀尺度的調(diào)控可能會灼傷甚至殺死細(xì)胞。”杜學(xué)敏介紹,“相比之下,新型光—電鑷所需要的光照強(qiáng)度很低,可通過高性能的光—電轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的介電泳力操控物體,以避免高強(qiáng)度光對生物樣本的損傷。”wTw即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

打開微觀調(diào)控大門wTw即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

結(jié)合光場和電場的雙重優(yōu)勢,新型光—電鑷成功實(shí)現(xiàn)不同場景下的多功能操控,展現(xiàn)出了前所未有的靈活性和適應(yīng)性。wTw即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

值得關(guān)注的是,該光—電鑷能采用比傳統(tǒng)光鑷小7個數(shù)量級的光強(qiáng),產(chǎn)生比傳統(tǒng)光鑷大7個數(shù)量級的操控作用力,成功實(shí)現(xiàn)了不同材質(zhì)(聚合物、無機(jī)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。wTw即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

杜學(xué)敏介紹,在應(yīng)用層面,他們團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新型光—電鑷不僅可以設(shè)計(jì)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)。wTw即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

此外,光—電鑷還能實(shí)現(xiàn)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(yīng)用于水凝膠微型機(jī)器人組裝和任務(wù)執(zhí)行、不同材質(zhì)和尺寸顆粒的篩選、活細(xì)胞的組裝、單個細(xì)胞的操控以及細(xì)胞刺激響應(yīng)等微型機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。wTw即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

杜學(xué)敏表示:“光—電鑷克服了傳統(tǒng)光鑷的局限性,填補(bǔ)了傳統(tǒng)光鑷無法實(shí)現(xiàn)的宏觀和微觀物體操控之間的空白,為機(jī)器人、類器官、再生醫(yī)學(xué)、神經(jīng)調(diào)控等重點(diǎn)前沿科技領(lǐng)域提供新的工具與技術(shù)。”wTw即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

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