在我们日常的生活中，我们可以很容易抓取和移动目标物体，如笔、装着牛奶的杯子。但是设想一下，在微观世界中，对于微纳尺度的物体（约一根头发丝的百分之一，甚至万分之一），我们该如何操纵它们呢？
早在四百年前，科学家们就发现并提出，光携带动量，当其与物质相互作用时，便会产生相应的力学效应。而五十年前Arthur Ashkin发明的光镊，就是建立在光力的原理上：利用高度聚焦的激光光束以类似于镊子的形式固定或者移动微纳物体，如微纳颗粒、细胞等 （图1）。光力约为皮牛量级。Arthur Ashkin因发明光镊在2018年获得了诺贝尔物理学奖。
图源：Nature, 2003, 424(6950): 810-816
在光镊被发明之后的五十多年内，由于光镊具有对粒子或细胞无损伤、非接触、活体状态下的操纵，以及微米量级的精确定位等特点，被广泛应用到生物和医学、纳米工程、量子光学等领域，用于对细胞进行捕获和分选操控、构建单分子材料以及研究单个粒子与光的相互作用等。
然而，这种光驱动与光捕获只能在液体环境中进行。这是因为，在非液体环境中，微纳物体会受到很强的粘附力（约微牛量级），比微纳物体自身的重力大好几个数量级，也远超过皮牛量级的光力。因此之前人们都是通过液体的浸润来消除粘附力，或者将物体悬浮在空气中，不与其他物体接触。
微观世界中的粘附力就如同镣铐一样，将物体牢牢锁住，使得难以用光来驱动微纳物体运动。如何克服这一阻力，让微纳物体带着“镣铐”起舞？
2019年，西湖大学仇旻教授课题组提出了基于多物理场耦合的微纳光驱动：光-热-弹性波驱动。相比于光波，弹性波产生所产生的驱动力可以达到微牛量级，能够克服微纳尺度的粘附阻力。在图2所示的光-热-弹性波驱动器中，微纳尺度的金片绕着微纳光纤作旋转运动，其转动精度达亚纳米量级，旋转的速度达140 转/分钟，实现了非液体环境下的精确控制和快速驱动。
然而关于弹性波与摩擦力作用的微观机制，以及更为丰富的驱动模式，仍有待进一步研究与开发。
图2：基于兰姆波（弹性波）驱动的旋转运动
图源：Science advances, 2019, 5(3): eaau8271
现在，仇旻教授课题组将这种多物理场耦合实现在非液体环境中微纳物体操控的方法进一步发展，首次全面揭示了在此驱动过程中弹性波与摩擦力作用的微观机制，并展示了基于光-热-弹性波多物理场的三维光致动器（图3）。研究成果“Micro-scale opto-thermo-mechanical actuation in the dry adhesive regime”为题发表在Light：Science & Applications杂志上，唐伟伟博士，博士生吕未，卢锦胜博士，为共同第一作者。严巍副研究员，仇旻教授，为共同通讯。论文其他作者还包括刘峰江博士以及王纪永博士。
图3：基于光-热-弹性波驱动的三维运动
光-热-弹性波三维光致动器包含了微纳光纤和微纳尺度的金片。在微纳光纤中通入纳秒激光，金片通过表面等离激元效应吸收光的能量，引起温度的升高，激发金片晶格周期性膨胀和收缩，从而在金片内产生弹性波。随后，产生的弹性波在金片中来回反射，并与金片和微纳光纤的接触面相互作用。当弹性波产生的驱动力小于金片与光纤间的粘附阻力时，金片保持与光纤的接触面不动。而当驱动力大于接触面的阻力时，金片便开始运动（图4）。这个过程可类比日常生活中的走路：为了能在路面行走，人们需要借助肌肉和关节产生足够的内力脱离地面摩擦力的束缚，并借助摩擦力产生向前运动的力。而在微观世界中，激发光-热-弹性波则是实现金片“行走”的窍门。
通过在微纳光纤的轴向和径向同时引入对称破缺，使金片产生三维螺旋形运动。对称性破缺的程度决定了金片运动的方向和速度。当微纳光纤与微纳金片的相对位置确定时，金片的运动速度可以通过改变入射纳秒脉冲激光的单脉冲功率和重复频率来主动调控（图5）。
图5：金片螺旋形运动的速度与入射激光的（A）单脉冲能量以及（B）重复频率的关系
在非液体环境下，克服表面粘附阻力，实现微纳尺度的光驱动，可以在很多领域具有重要的应用。例如，将该技术与片上波导结合，可实现在集成芯片上的光驱输运以及光-光调制；通过对入射光及结构进行设计，有望实现片上微纳尺度多模态机器人，并应用于全光路由的集成光学芯片中，令人期待！
Tang, WW., Lyu, W., Lu, JS. et al.Micro-scale opto-thermo-mechanical actuation in the dry adhesive regime. Light Sci Appl 10, 193 (2021).
https://www.nature.com/articles/s41377-021-00622-6
转载：西湖大学
