利用光场激发的热电效应控制微型“泳者”

来源：两江科技评论

在对微观液体系统的探索和研究中，总会用到一类大小在微米级别，能够对微米甚至纳米尺度的物体进行操作的功能结构或器件，统称为微型”泳者”。微型”泳者”已被广泛应用于药物研发、生物传感、微纳制造等学科领域。

在最近的一项研究中，美国德州大学奥斯汀分校的郑跃兵教授和清华大学的林琳涵教授利用光场激发的热电效应（即光生热电效应），在全光场的条件下实现了对微型”泳者”的精准控制和移动。该项工作提出了“光-热-电-机械”多场耦合的物理机制，对未来微型”泳者”的基础设计和创新应用具有重要指导意义。

图1 Janus微球的三维示意图

Janus微球（如图1所示）是一种常用的Janus结构，可以通过对单一组分的胶体微球的一侧半球进行物理或化学处理而获得。如果对未作处理的另一侧半球再进行功能性修饰，Janus微球就可以被改造成为微型”泳者”，进而用于微纳操控、定点运输和环境探测等复杂任务。

在外场的作用下，Janus微球会沿着垂直于两个半球交界面的方向移动（即图1的y轴方向）。但由于液体环境中随机热扰动的影响，以及球面两侧的不对称重力的作用，Janus微球的取向会随时间在三维方向上不断改变（如图1所示，或者在x-y平面内转动，或者朝x-y平面外转动）。如果要控制Janus微球向特定目标物体移动，一种策略是对Janus微球的取向进行实时监测，只在Janus微球的取向朝向目标物体的时刻才施加外场。此种方法是基于被动反馈机制，因而在控制效率上很受限。另一种策略是利用Janus微球对特定电场或者磁场的响应，来实时改变微球的取向，从而调节其移动方向。但是该方法很难用来同时操纵多个微型”泳者”，因此不太适合于对灵活性要求较高的应用场景。

在此项工作中，郑跃兵团队利用Janus结构在液体环境中的光生热电效应，成功实现了微型”泳者”的高效驱动和导航。研究中所使用的具有Janus结构的微型”泳者”，是在一侧半球上镀了一层金纳米薄膜的胶体微球（以下简称PS/Au微球）。PS/Au微球被分散在含有CTAC表面活性剂的溶液中。由于溶解了CTAC，溶液中会产生带正电的CTA+胶束离子以及带负电的Cl-离子，PS/Au微球的表面也会因为吸附CTA+胶束离子而带正电。

图2通过发散的激光束来驱动PS/Au微球

实验中通过施加两种不同的光场，实现了PS/Au微球的两种不同的运动模式。当施加光场为发散的激光束时，Au半球具有较高的光吸收率，从而温度较高，而PS半球具有较低的光吸收率，温度较低，使得在整个微球的周围产生非对称的温度梯度场。溶液中带正电的CTA+胶束离子相比带负电的Cl-离子具有更高的热迁移率，以致于在非对称的温度梯度场的作用下，这两种离子出现非对称分布，即在PS半球一侧有更高的CTA+胶束离子浓度，在Au半球一侧有更高的Cl-离子浓度。CTA+胶束离子和Cl-离子的这种非对称分布，诱导出一个由PS半球指向Au半球的局域热电场，驱使带正电的PS/Au微球朝着Au半球的一侧移动。这种运动模式被称为驱动模式，整个物理过程如图2所示。

当施加光场为聚焦的激光束时，相应的会产生一个增强的局域热电场。增强后的热电场一方面会使PS/Au的交界面几乎垂直于x-y平面，并抑制其取向朝x-y平面外的转动（见图1）；另一方面会在x-y平面内克服光场的散射力，促使PS/Au微球以激光束为中心匀速转动。在转动的过程中，可以360度均匀扫描PS/Au微球的取向，这种运动模式因而被称为导航模式，整个物理过程如图3所示。

图4 采用自动反馈系统控制PS/Au微球，使其移动到目标物体附近

该团队在实现了PS/Au微球的两种运动模式的基础上，设计了一套自动反馈系统，来实时监测PS/Au微球的运动状态，并以此通过调控施加的光场，在驱动模式和导航模式之间进行选择性切换，从而在实验中有效地控制PS/Au微球的移动轨迹，如图4所示。

04应用与展望

郑跃兵教授认为，相比于纯粹利用光场本身的散射效应，利用光场激发的热电效应，不仅能对微型”泳者”进行更为灵活地操纵，而且能有效地降低系统能耗。团队的研究者们相信，在升级当前的光学系统后，能同时对多个微型”泳者”进行智能控制，进而实现微型”泳者”阵列和集群的构建和遥控，最终面向多种复杂的应用场景。