美國(guó)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(jiǎng)，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。
1月9日，記者從中國(guó)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(duì)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。
光調(diào)控技術(shù)新突破
新型光操控技術(shù)利用光響應(yīng)性智能材料生成溫度場(chǎng)、電場(chǎng)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。
2016年，杜學(xué)敏團(tuán)隊(duì)開(kāi)始在光—電智能材料和靜電鑷領(lǐng)域開(kāi)展研究工作。基于前期工作基礎(chǔ)，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出全新的光—電鑷。
該光—電鑷由兩個(gè)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(rùn)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(rùn)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(rùn)滑層通過(guò)兩片聚甲基丙烯酸甲酯封裝集成。
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(shì)。光照強(qiáng)度增加可增強(qiáng)其光—電場(chǎng)，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(mén)子至每厘米91毫西門(mén)子，其光電性能仍能保持有效。
“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(wàn)毫瓦，這會(huì)產(chǎn)生光損傷問(wèn)題，導(dǎo)致微觀尺度的調(diào)控可能會(huì)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(guò)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(duì)生物樣本的損傷。”
打開(kāi)微觀調(diào)控大門(mén)
結(jié)合光場(chǎng)和電場(chǎng)的雙重優(yōu)勢(shì)，新型光—電鑷成功實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)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。
值得關(guān)注的是，該光—電鑷能采用比傳統(tǒng)光鑷小7個(gè)數(shù)量級(jí)的光強(qiáng)，產(chǎn)生比傳統(tǒng)光鑷大7個(gè)數(shù)量級(jí)的操控作用力，成功實(shí)現(xiàn)了不同材質(zhì)（聚合物、無(wú)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(zhǎng)方體、螺旋線）和活魚(yú)卵等物體的非接觸、普適性、程序化操控。
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(tái)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)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。
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(wú)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)。”
美國(guó)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(jiǎng)，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。
1月9日，記者從中國(guó)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(duì)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。
光調(diào)控技術(shù)新突破
新型光操控技術(shù)利用光響應(yīng)性智能材料生成溫度場(chǎng)、電場(chǎng)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。
2016年，杜學(xué)敏團(tuán)隊(duì)開(kāi)始在光—電智能材料和靜電鑷領(lǐng)域開(kāi)展研究工作?；谇捌诠ぷ骰A(chǔ)，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出全新的光—電鑷。
該光—電鑷由兩個(gè)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(rùn)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(rùn)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(rùn)滑層通過(guò)兩片聚甲基丙烯酸甲酯封裝集成。
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(shì)。光照強(qiáng)度增加可增強(qiáng)其光—電場(chǎng)，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(mén)子至每厘米91毫西門(mén)子，其光電性能仍能保持有效。
“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(wàn)毫瓦，這會(huì)產(chǎn)生光損傷問(wèn)題，導(dǎo)致微觀尺度的調(diào)控可能會(huì)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(guò)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(duì)生物樣本的損傷。”
打開(kāi)微觀調(diào)控大門(mén)
結(jié)合光場(chǎng)和電場(chǎng)的雙重優(yōu)勢(shì)，新型光—電鑷成功實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)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。
值得關(guān)注的是，該光—電鑷能采用比傳統(tǒng)光鑷小7個(gè)數(shù)量級(jí)的光強(qiáng)，產(chǎn)生比傳統(tǒng)光鑷大7個(gè)數(shù)量級(jí)的操控作用力，成功實(shí)現(xiàn)了不同材質(zhì)（聚合物、無(wú)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(zhǎng)方體、螺旋線）和活魚(yú)卵等物體的非接觸、普適性、程序化操控。
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(tái)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)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。
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(wú)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)。”
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