科学家发明光热冲镊技术，实现在固体界面捕获和操控微纳物体
科学家在实验室发现某种现象后，通常会尝试用教科书中的某种定义来解释相关现象。但是，如果教科书没办法解释该怎么办呢？
11 年前，彼时还在浙江大学读博的谷付星发现了一种奇特的现象，在微光纤上的金纳米线竟然朝着相对光传播的方向“倒着走”。并且，这种现象用常规的激光捕获原理并不能解释清楚。
图丨谷付星（来源：谷付星）
2013 入职上海理工大学后，谷付星教授与团队继续深入探索，终于在 10 年后以光热冲击效应为基础，开发了激光捕获技术称之为“光热冲镊（Photothermal-Shock Tweezers）”，实现了固体界面上对微纳物体的捕获及任意操控。
由于在真空和液体中的广泛应用，光学捕获物体的激光冷却和捕陷原子的技术和光学镊子分别在 1997 及 2018 年获得诺贝尔物理奖。但是，光学捕获物体在固体接触表面上仍是“空白”。
谷付星表示：“光热冲镊技术的出现填补了该领域的空白，让激光在‘海陆空三界（真空/气体，液体及固体）’的微纳环境中，能够全部实现捕获和操控任意物体。”
研究人员探索了在纳米机器人领域的应用，并实现世界首个像传统机器人那样工作的纳米清洁机器人。与此同时，他们也研制了结构更复杂、功能更多样的 HOUbot 机器人，该机器人是世界首个利用传统机械手段执行具体任务的纳米机器人。
图丨相关论文（来源：Nature Communications）
近日，相关论文以《通过光热冲击在干固体接触条件下产生强大推力的自主纳米机器人》（Autonomous nanorobots with powerful thrust under dry solid-contact conditions by photothermal shock）为题发表在 Nature Communications 上[1]。
上海理工大学博士研究生顾兆麒、朱润琳和沈天赐为论文共同第一作者，谷付星教授为论文通讯作者。
图丨从左至右分别为：上海理工大学博士研究生沈天赐、顾兆麒和朱润琳（来源：上海理工大学）
2012 年 5 月 4 日，谷付星第一次发现金属纳米线朝着相对光传播的方向“倒着走”的现象。在经过研究近 10 年的海量实验数据后，终于确定了激光的捕获方式和机理。
“我还记得在 2022 年疫情封控期间，我带着被子住到实验室每天做实验，那段时间研究进展非常快。”谷付星说。
2021 年，该课题组在 Nature Communications 发表过一篇关于微光纤上驱动金属纳米线的论文，为本次研究奠定了基础，但是离捕获原理还有“一步之遥”。
图丨通过冲量-动量定理原理实现强大力输出的示意图（来源：Nature Communications）
实际上，光被物体吸收的一瞬间，纳米线的热膨胀和移动就已经完成。这种瞬态移动的现象用传统教科书中的振动力学来解释并不可行。
在本次研究中，结合热弹性力学、动力学、摩擦学，研究人员提出一种新概念，并确定了奇特现象背后的物理是瞬态热弹性动力学。并且，首次在国际上推导、归纳出瞬态热梯度力的相关方程式。“它的适用条件是，光脉冲的持续周期远小于它振动的周期。”谷付星说。
图丨光热冲镊操控纳米线（来源：Nature Communications）
传统机器人基本被限制在几百微米尺度，与其配套的电机和能源驱动系统往更小型化发展也充满挑战。光热冲镊技术的出现，也有望解决纳米机器人领域中的磨损、吸附等问题，因此增加了更广泛的应用场景。
具体来说，光热冲镊技术能够用于实验室操控微纳物体。与传统的手工操控相比，该技术会极大地提升效率。另一方面，光热冲镊技术相当于提供了一种小型化的“马达”，可节省质量体系成本，在航空航天、无人机、潜水艇等方面都具有应用前景。
谷付星表示：“未来我们也计划与光纤技术结合，探索微创手术的应用方向。让内窥镜更小、更细，从而能够直接伸入到血管、肺、大脑等人体器官。”
从获得诺贝尔奖的光学捕获技术来看，从技术被开发到实际应用经历了约十年时间。因此，光热冲镊技术到实际应用还需要时间和技术的不断发展。
图丨纳米机器人 HOUbot 的相关原理示意图（来源：Nature Communications）
目前，控制纳米物体开环在 1 纳米左右，反馈控制闭环在约 80 纳米。下一步，该团队计划通过人工智能和机器视觉技术，继续提升控制精度和灵敏度。
另外，研究人员还打算制备“纳米操作手”，并正在探索通过空间光调至器实现多手协同操控的效果。据悉，该技术已申请三项国内专利，相关国际专利正在申请中。
参考资料：
1.Gu, Z., Zhu, R., Shen, T. et al. Autonomous nanorobots with powerful thrust under dry solid-contact conditions by photothermal shock. Nature Communications 14, 7663 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-43433-6
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