科学家实现了微观粒子的可重构3D光学操作

将微观粒子精确定位为有用的三维构型的能力一直是从材料科学和光子学到生物传感和药物递送等领域的长期目标。胶体颗粒是悬浮在介质中的小颗粒，如果它们可以在充分的控制下进行操纵和组装，则可以作为先进工程材料和设备的构建块。

多年来，科学家们已经开发了各种技术来应对这一挑战。自组装方法依赖于粒子的自然趋势来组织成有序的结构，但提供有限的可调性。自上而下的制造方法允许精确的图案化，但通常仅限于平面几何形状。虽然使用聚焦激光束来捕获和移动颗粒的光学镊子在三维空间中提供动态控制，但粒子只能由激光固定在适当的位置——一旦激光关闭，布朗运动就会使它们漂移。

利用相变(OMPC)进行光热操纵的工作机理：(a)将激光束施加在嵌入表面活性剂基质中的颗粒上。XP和 ZP分别是粒子中心和激光束中心(光束轴和焦平面的交点)沿 X 和 Z 方向的距离。(b)最初，颗粒周围的表面活性剂基质存在于其coagel相中。当激光施加在颗粒上时，温度升高，双层能量和双层之间含水量的增加改变了颗粒和表面活性剂之间的相互作用电位。当温度升高超过转变温度(TTR系列)，基质可逆地将其相变为凝胶状态，从而允许操纵颗粒。

OMPC的多功能性：(a)通过OMPC精确排列的1.5 μm硅颗粒3D阵列的示意图和连续显微图像。成像平面由虚线圆圈突出显示的粒子表示。所有其他粒子位于不同的平面上，但形成一个立方体(虚线;另请参阅支持信息)。(b) 以(i)二维“2”图案排列的粒子的示意图和最终光学显微图像，该图案被重新配置为(ii)三维“3”图案。“3”图案的粒子在倾斜的虚拟平面上处于不同的高度。两张显微图像在两个不同的成像平面上显示出相同的“3”图案，其中焦点位于虚线圆圈突出显示的粒子上。(c) 在10 μm PS颗粒表面操纵的1.5 μm Si颗粒的示意图和光学图像。成像平面的位置在右上角突出显示(单位：μm)。Si 粒子从 PS 粒子的左下角(第一个面板)到右下角(最后一个面板)进行操纵。右下角的原理图显示了 Si 粒子相对于 PS 粒子的相对位置。比例尺：5μm。

尽管取得了几十年的进步，但将粒子组装成稳定、可重构的 3D 结构的灵活方法仍然难以捉摸。但现在，德克萨斯大学奥斯汀分校的一个研究小组可能已经找到了解决方案。通过将光学捕获与设计巧妙的相变材料相结合，他们开发了一种具有前所未有的多功能性来操纵胶体颗粒的平台，他们称之为使用相变的光热操纵。

OMPC的核心创新在于颗粒周围的介质。研究人员不是使用简单的液体，而是使用一种由表面活性剂分子组成的特殊凝胶，这些凝胶可以自组装成固体但可重构的支架。这种基质具有非凡的特性——当被聚焦激光加热时，它会在光束路径中局部从刚性的“凝胶”状态转变为较软的“凝胶”相。通过移动激光焦点，可以在任意点感应这种相变，以动态控制介质在三维空间中的刚度。

正如他们在ACS Nano上发表的论文所描述的那样，科学家们利用这种可逆的激光诱导相变进行光热操纵。 “当光束聚焦在吸光颗粒上时，粒子会升温，熔化周围的凝胶并允许光学力将其移动到新位置，”这项工作的首席研究员郑岳兵教授向Nanowerk解释道。“然后，当激光关闭时，凝胶会重新凝固并将颗粒锁定在适当的位置。通过迭代捕获、移动和固定颗粒，可以一块一块地构建复杂的配置。

Zheng和他的团队演示了使用OMPC的几种粒子操纵模式，包括沿着光束路径推动粒子，将它们拉向焦点，以及横向“推动”它们。与液体介质中的光镊等现有技术相比，这种新方法具有独特的优势，即能够在激光关闭后将颗粒稳定地固定到位。凝胶介质可防止布朗运动破坏组装结构，从而实现更复杂和耐用的配置。 它们展示了 3D 立方晶格、可重构图案，甚至沿着更大球体表面骑行的粒子的组装。重要的是，凝胶介质可以长时间保留精心制作的结构，防止困扰液体组装的破坏。该团队报告说，颗粒在其组装位置停留了120多天，证明了这种方法的长期稳定性。

除了空间图案化之外，该团队还探索了使用他们的OMPC技术来控制纳米结构与2D材料的相互作用。通过在单层二硒化钨上方升高和降低硅颗粒，它们可以调整二维材料发射光的强度和光谱分布。这种能力可用于光学传感、光发射和其他纳米光子应用。

这项工作的意义延伸到广泛的潜在应用。在光子学中，组装介电粒子的3D晶格的能力可以产生具有可调带隙的光子晶体和具有奇异特性的光学超材料。可重构的纳米结构也可以用于自适应光学和可调谐透镜。在生物传感领域，精确定位用抗体或酶等生物分子功能化的胶体颗粒，可以产生具有更高灵敏度和特异性的先进生物传感器。在药物递送的背景下，对载药纳米载体的光学操作可以提供靶向治疗的手段。

虽然目前的工作建立了一个令人印象深刻的概念证明，但科学家们指出，仍有改进的余地。“OMPC技术的灵活性目前受到单个激光束的手动定位的限制，未来可以通过自动控制和多光束操纵算法来增强，”Zheng指出。“探索更广泛的凝胶材料调色板还可以扩大可实现的温度范围和颗粒兼容性。

研究人员还承认，在实际应用中需要解决的挑战。凝胶介质中的微米级起伏和激光定位精度目前限制了对亚500 nm颗粒的操纵。优化凝胶合成和实施闭环反馈控制有助于克服这些局限性。该团队还指出，需要进一步的工作来实现纳米线等高纵横比结构的同时平移和旋转。

展望未来，该团队正在探索推进OMPC平台的几种途径。目前正在努力使用基于图像的反馈算法实现粒子组装过程的自动化，这可以大大提高可实现结构的速度和复杂性。他们还在研究使用多个激光束进行并行操纵，并结合空间光调制器进行动态光束整形。扩大兼容材料库，包括刺激响应聚合物和液晶，是另一个积极研究的领域。

“在纳米技术的更广泛背景下，我们的工作代表了朝着可编程物质目标迈出的令人兴奋的一步 - 材料可以被设计成动态地重新配置自己以响应外部刺激，”郑总结道。“通过提供一种可逆地按需组装和拆卸微观构建块的方法，这种光热操纵技术使我们更接近实现这一愿景。”

通过将光学捕获的精度与相变介质的稳定性相结合，这项工作为纳米技术工具包增加了一个重要的新工具。虽然要充分利用OMPC的能力仍有许多工作要做，但它标志着我们在按需制造功能化微纳米结构的能力方面迈出了令人兴奋的一步。随着该领域研究的进展，我们可以预见未来，可重构的3D纳米结构将经常用于推动材料科学、光子学、生物学等领域的发展。