纳米操控：光学物质“布朗式棘轮”

来源：两江科技评论

布朗式棘轮（Brownian ratchets）：百度百科对布朗棘式轮模型做出的解释是“布朗式棘轮模型是指线粒体前体蛋白从粗面内质网转运到线粒体内膜是由于前体蛋白的摆动性（即布朗运动），可能会刚进入线粒体内膜即出膜，所以有mhsp（内膜热休克蛋白）70与蛋白的N-导肽结合从而固定在内膜的表面，N-导肽在前体蛋白成熟后会由特定水解酶将水解掉。”

维基百科对布朗棘式轮模型做出的解释是“布朗式棘轮（Brownian ratchet），又称费曼棘轮，由波兰物理学家玛丽安·斯莫卢霍斯基于1912年提出的永动机设想，因物理学家理查德·费曼于1962年的讲座中传播开来。”其实质是指不违反热力学第二定律的永动机装置。如图1所示，棘轮就是指如图1.左边缘上有特殊形状的齿轮装置。

图1. 布朗式棘轮的运动构想图   

图源：世界卫生创新峰会

总体来说，布朗式棘轮模式是研究不管是微观、介观还是宏观动力学过程中不可或缺的一个模型。在2002年5月2日，Nature期刊以题目名为“Brownian ratchets: Darwin's motors / 布朗式棘轮：达尔文马达”，对布朗棘轮也做了报道，文中提到“生命活动所依赖的分子运动都来源于布朗运动”以及“在运动蛋白过程中，所创造的’秩序’是一种定向力，而选择的动因是分子间的相互作用力。因此，布朗棘轮的概念不断出现在新的语境中，这为我们在不同领域中的思考提供了丰富的空间。”所以说，在不同的领域布朗式棘轮模型具有更为广阔的内涵和外沿。

在2020年10月19日，美国光学学会（OSA）旗舰期刊Optica发表了一篇题为“Optical matter machines: angular momentum conversion by collective modes in optically bound nanoparticle arrays / 光学物质机器：在光束缚下纳米粒子实现集体模式的角动量转换”的文章。

作者们在此提出了一种在纳米尺度上进行光驱动的新方法，因为传统的光驱动方式都关注在入射场对光学物质阵列产生的结构和动力学分析，而很少关注光学物质产生形成的散射场会有怎样的特性。本文针对这个问题做出了详细的分析讨论。

图2. 左图为在圆偏振激光照射下，7个纳米粒子（深蓝色斑点）形成一个六边形光学物质的动态仿真图。淡蓝色和黄色区域表示的是粒子周围形成的电场；

右图为计算分析光学物质横向截面上的波印廷矢量流线图；

图源：Norbert F. Scherer/芝加哥大学；Vol. 7, No. 10 / October 2020 / Optica Fig.3 d)

如图2所示，研究人员通过将右旋圆偏振激光入射到7个纳米粒子上，150nm直径的银纳米颗粒之间就会通过产生比光波长小得多的相互作用而发生自组装效应，由于入射的圆偏振光具有旋转对称的光学束缚作用，使得7个粒子形成六边形对称的光学物质，中间具有一个粒子，其余的分布在六边形周围。

对于为什么成六边形分布？是由于存在一个角动量守恒的选择定则；选择定则的存在决定了光学物质几何形状的模式，而几何模式又决定着粒子散射场的分布。

在银纳米粒子实际的运动过程中，7个银纳米粒子会在右旋圆偏振的照射下，由于粒子的散射场会形成一个整体的“负扭矩”，其出现的现象是7个纳米粒子整体像一个刚体一样运动，其运动方向与入射场偏振态相反。

在图2的仿真动态图中体现不出这样的运动，因为实际粒子整体运动的发生时间比此处仿真显示的飞秒时间尺度要长得多，而在下图的实际粒子捕获中可以看到。更为有趣的是，如果在光学物质外围有一个“探针”粒子存在时，探针粒子的运动将更为奇特，如图3所示。

图3. 左图为光学物质机器的原理图；

中间图为实拍粒子运动时的截屏图（黄色线为整体的刚体运动轨迹；红色线为探针粒子的运动轨迹）；

右图表示光学物质机器运动的示意图（箭头表示优先旋转的方向；实心和空心方框表示探针粒子的稳定与不稳定状态位置）

图源：Vol. 7, No. 10 / October 2020 / Optica Fig.1 a)/ Fig.4 e)/ Fig.4 a)

探针粒子与光学物质组成了一个类似“布朗式棘轮”的结构，由于光学物质集体模式存在有一个散射场，如图2的右图所示，光学物质外围就会存在一股电磁能流，能够驱使探针粒子运动。

这里探针粒子的能量主要来源于自旋角动量（SAM）和轨道角动量（OAM）的相互转化，会聚光束提供了一个光势阱，形成了一个向内的相位梯度，探针粒子被约束在一个类似具有径向约束的环形齿轮的外围。并且探针粒子的运动方向与光学物质整体运动的方向相反，这恰好也体现着角动量守恒的原则。如下视频所示，为银纳米颗粒的实际光捕获实验。

在此处，研究者开发出的这种微型光机器，可以将激光转化为做功。并且，这些光动力机器可以自行自组装，可实际用于纳米级的微小粒子操作，如纳米流体和粒子生物分子、细胞分选等应用。

本文通讯作者芝加哥大学的Norbert F. Scherer教授，在接受OSA的采访时讲到“我们的工作解决了纳米科学界长期以来的一个目标，即创造可以在传统环境中工作（如室温液体），进行自组装的纳米尺度机器。”