北理工團(tuán)隊(duì)在納米剪紙轉(zhuǎn)子的光電鑷自由操控研究方面取得重要突破
發(fā)布日期：2024-04-29 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院李家方教授,、姚裕貴教授團(tuán)隊(duì),，與北理工機(jī)電學(xué)院/集成電路學(xué)院張帥龍教授團(tuán)隊(duì),、以及國(guó)內(nèi)外多家單位合作，提出并實(shí)現(xiàn)了游離態(tài)納米剪紙轉(zhuǎn)子的光電鑷自由操控,。通過利用納米剪紙精密制造,、滴定腐蝕精確釋放以及光電鑷精準(zhǔn)操控等創(chuàng)新技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了納米剪紙轉(zhuǎn)子的原位高效釋放和光電協(xié)同多模態(tài)自由操控,，并探索了其操控行為的內(nèi)在物理機(jī)制和微通道器件應(yīng)用潛力,。該創(chuàng)新成果發(fā)表在《科學(xué)》子刊Science Advances上，并被Science主刊和Science Advances同時(shí)選為主頁Highlight研究亮點(diǎn)報(bào)道,。
剪紙（Kirigami）作為一種對(duì)紙張進(jìn)行剪裁和折疊的傳統(tǒng)藝術(shù)形式,，為先進(jìn)納米制造提供了新穎的設(shè)計(jì)方法。與傳統(tǒng)“增材制造”和“減材制造”技術(shù)相比,，剪紙?jiān)O(shè)計(jì)利用少量的材料損失和豐富的結(jié)構(gòu)變換即可將平面二維圖案形變成多功能的三維結(jié)構(gòu),，可近似為一種“等材制造”技術(shù)。近年來,，隨著先進(jìn)微納制造技術(shù)的快速發(fā)展,，剪紙形變?cè)O(shè)計(jì)概念已被拓展到微觀尺度下的科學(xué)研究中。值得關(guān)注的是,，北理工李家方教授及合作團(tuán)隊(duì)在2018年發(fā)明了一種納米剪紙三維微納制造技術(shù)[Sci. Adv. 4, eaat4436 (2018)],，實(shí)現(xiàn)了多種新穎的三維及準(zhǔn)三維納米結(jié)構(gòu)[Light-Sci. Appl. 9, 75 (2020)]及其力學(xué)上的可重構(gòu)功能[Adv. Mater. 32, 1907077 (2020)]，進(jìn)一步在2021年為納米光機(jī)電系統(tǒng)提供了一種新穎的光電調(diào)控機(jī)制[Nat. Commun. 12, 1299 (2021)],。在此趨勢(shì)下,，構(gòu)建具有可重構(gòu)拓?fù)湫蚊驳亩喙δ芗{米剪紙結(jié)構(gòu)成為一個(gè)新興的研究方向。然而,，與易于制造的宏觀結(jié)構(gòu)不同,，納米剪紙結(jié)構(gòu)通常制備在納米薄膜表面，原位固定的狹小空間變換范圍極大地限制了它們的拓展應(yīng)用,。因此,，克服納米剪紙結(jié)構(gòu)的空間移動(dòng)限制成為一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)，一旦解決將可能挖掘更多功能新穎和應(yīng)用廣泛的自由操控納米結(jié)構(gòu)及器件,。
圖1：納米剪紙微型轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)及自由操控,。(A)宏觀螺旋槳結(jié)構(gòu)示意圖；(B)納米剪紙微型轉(zhuǎn)子示意圖,，大小約為標(biāo)準(zhǔn)宏觀螺旋槳的十萬分之一,；(C)利用光電鑷中可編程光圖案實(shí)現(xiàn)納米剪紙微型轉(zhuǎn)子自由操控的示意圖。
基于以上挑戰(zhàn),，本工作實(shí)現(xiàn)了一種光電協(xié)同自由操控的納米剪紙微型轉(zhuǎn)子（Nano-kirigami microrotors）,，包括概念設(shè)計(jì)（圖1）、樣品制備,、光電驅(qū)動(dòng),、運(yùn)動(dòng)機(jī)理以及功能演示,。通過發(fā)展一種原位滴定腐蝕方法，成功將尺度約為10 μm的金屬微型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)從基底上釋放成為游離狀態(tài),，并實(shí)現(xiàn)了向光電鑷系統(tǒng)的高效轉(zhuǎn)移和集成（圖2）,。光電鑷技術(shù)基于光場(chǎng)和電場(chǎng)協(xié)同作用下的介電泳效應(yīng)（Dielectrophoresis, DEP）產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力（量級(jí)為nN），使其中的金屬結(jié)構(gòu)能夠輕易地被極化而產(chǎn)生基于DEP效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力,，在操控金屬微納物體方面性能優(yōu)異,，為金屬納米剪紙結(jié)構(gòu)的自由操控提供了極佳的平臺(tái)。
圖2：納米剪紙微型轉(zhuǎn)子的制備,、釋放和轉(zhuǎn)移,。(A)納米剪紙微型轉(zhuǎn)子的制造流程圖；(b)微型轉(zhuǎn)子的實(shí)驗(yàn)制備,、釋放和轉(zhuǎn)移示意圖,；(C-F)制備的微型轉(zhuǎn)子光學(xué)顯微鏡和SEM圖像；(G-I)釋放和轉(zhuǎn)移后的微型轉(zhuǎn)子SEM圖像和光學(xué)顯微鏡圖片,。比例尺：(C-H)：5 μm,，(I)：10 μm。
研究團(tuán)隊(duì)通過光束圖案編程,，實(shí)現(xiàn)了納米剪紙微型轉(zhuǎn)子的高度自由的多模態(tài)操控（圖3）,。此外，該工作還通過理論建模和系統(tǒng)分析,，揭示了微型轉(zhuǎn)子與極化電場(chǎng)之間多樣化的相互作用機(jī)制,，進(jìn)一步展示了微型轉(zhuǎn)子在微通道環(huán)境中的狹道通行和開關(guān)閥門功能（圖4）。
圖3：納米剪紙微型轉(zhuǎn)子的多模態(tài)自由驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn),。(A, B)微型轉(zhuǎn)子的異平面翻轉(zhuǎn)操控示意圖及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)捕獲圖像,。比例尺：10 μm；(C-F)微型轉(zhuǎn)子多模態(tài)驅(qū)動(dòng)示意圖和實(shí)驗(yàn)圖像,，包括垂直滾動(dòng),、轉(zhuǎn)向,、自轉(zhuǎn)以及公轉(zhuǎn),。比例尺：30 μm；(G, H)在(C)和(F)驅(qū)動(dòng)中微型轉(zhuǎn)子的最大前進(jìn)線速度和公轉(zhuǎn)角速度與施加偏置電壓的關(guān)系,。
圖4：納米剪紙微型轉(zhuǎn)子的微通道環(huán)境驅(qū)動(dòng),。(A-C)納米剪紙微型轉(zhuǎn)子在站立狀態(tài)下順利通過狹窄微通道（寬度小于10 μm）實(shí)驗(yàn)的示意圖、微通道SEM圖像及驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)圖像,。比例尺：20 μm,；(D-F)納米剪紙微型轉(zhuǎn)子在微通道前實(shí)現(xiàn)閥門的開放和關(guān)閉切換實(shí)驗(yàn)的示意圖、微通道SEM圖像及驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)圖像,。比例尺：20 μm,。
相比于以往數(shù)百微米乃至宏觀尺寸的微型轉(zhuǎn)子研究,，研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)的納米剪紙微型轉(zhuǎn)子具有多種潛在應(yīng)用價(jià)值。例如研究結(jié)果表明,，納米剪紙轉(zhuǎn)子在多模態(tài)運(yùn)動(dòng),、站立狹道通行、通道閥門控制以及拉曼信號(hào)增強(qiáng)方面表現(xiàn)出獨(dú)特的能力,，有望為微流體學(xué),、MEMS系統(tǒng)、納米光子學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展提供新穎的技術(shù)途徑,，并為多功能微納機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展實(shí)現(xiàn)帶來新的研究思路,。
此外，納米剪紙結(jié)構(gòu)的可形變特征還非常有利于多物理場(chǎng)的協(xié)同調(diào)控,，包括力,、熱、電,、磁,、光、聲等物理量的變化都引起納米剪紙結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性差異,，相關(guān)研究工作受Applied Physics Letters雜志邀請(qǐng)撰寫Perspective封面文章（圖5）,。
圖5：納米剪紙結(jié)構(gòu)的多物理場(chǎng)協(xié)同調(diào)控研究（Nano-kirigami/origami fabrications and optical applications, Appl. Phys. Lett. 124, 160501 (2024), Front Cover, doi: 10.1063/5.0199052）。
該研究工作突破了第一代納米剪紙?jiān)蝗S制備,、第二代納米剪紙片上光電調(diào)控的空間限制,，成功將納米剪紙結(jié)構(gòu)釋放轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)，實(shí)現(xiàn)了第三代自由操控的納米剪紙結(jié)構(gòu),，在未來光電驅(qū)動(dòng)微/納米機(jī)器人,、微流體學(xué)、新型微納光機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域的發(fā)展中有重要的應(yīng)用前景,。北理工洪孝榮博士和徐冰睿博士為論文的共同第一作者,，北理工李家方教授、張帥龍教授為論文的共同通訊作者,。研究團(tuán)隊(duì)特別感謝北京理工大學(xué)分析測(cè)試中心給予的支持與幫助,。該交叉學(xué)科研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（國(guó)家杰出青年基金和面上項(xiàng)目）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,、廣東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,、北京市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
文章信息（#為共同一作,；*為通訊作者）：Xiaorong Hong#, Bingrui Xu#, Gong Li, Fan Nan, Xian Wang, Qinghua Liang, Wenbo Dong, Weikang Dong, Haozhe Sun, Yongyue Zhang, Chongrui Li, Rongxin Fu, Zhuoran Wang, Guozhen Shen, Yeliang Wang, Yugui Yao, Shuailong Zhang*, and Jiafang Li*. Optoelectronically navigated nano-kirigami microrotors. Science Advances, 10(17), adn7582 (2024).
文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn7582
第一代納米剪紙?jiān)蝗S制備技術(shù)介紹：http://www.nanokirigami.com
第二代納米剪紙片上光電調(diào)控技術(shù)介紹：http://drbrecher.com/xww/xzw/xsjl1/b0962f707f8d41e99ea4ca627630fa3d.htm
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