北理工團隊在納米剪紙轉(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,、姚裕貴教授團隊，與北理工機電學(xué)院/集成電路學(xué)院張帥龍教授團隊,、以及國內(nèi)外多家單位合作,，提出并實現(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同時選為主頁Highlight研究亮點報道。
剪紙（Kirigami）作為一種對紙張進(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)計方法,。與傳統(tǒng)“增材制造”和“減材制造”技術(shù)相比,，剪紙設(shè)計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，剪紙形變設(shè)計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隊在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年為納米光機電系統(tǒng)提供了一種新穎的光電調(diào)控機制[Nat. Commun. 12, 1299 (2021)],。在此趨勢下，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)的空間移動限制成為一項重要挑戰(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（圖1）,、樣品制備、光電驅(qū)動,、運動機理以及功能演示,。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)基于光場和電場協(xié)同作用下的介電泳效應(yīng)（Dielectrophoresis, DEP）產(chǎn)生驅(qū)動力（量級為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。
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)子的實驗制備、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,。
研究團隊通過光束圖案編程，實現(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)子與極化電場之間多樣化的相互作用機制,，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)動實驗。(A, B)微型轉(zhuǎn)子的異平面翻轉(zhuǎn)操控示意圖及相應(yīng)的實驗捕獲圖像,。比例尺：10 μm,；(C-F)微型轉(zhuǎn)子多模態(tài)驅(qū)動示意圖和實驗圖像，包括垂直滾動,、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。(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）實驗的示意圖,、微通道SEM圖像及驅(qū)動實驗圖像,。比例尺：20 μm；(D-F)納米剪紙微型轉(zhuǎn)子在微通道前實現(xiàn)閥門的開放和關(guān)閉切換實驗的示意圖,、微通道SEM圖像及驅(qū)動實驗圖像,。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,，研究團隊首次實現(xiàn)的納米剪紙微型轉(zhuǎn)子具有多種潛在應(yīng)用價值,。例如研究結(jié)果表明，納米剪紙轉(zhuǎn)子在多模態(tài)運動,、站立狹道通行,、通道閥門控制以及拉曼信號增強方面表現(xiàn)出獨特的能力，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，并為多功能微納機器人領(lǐng)域的發(fā)展實現(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雜志邀請撰寫Perspective封面文章（圖5）。
圖5：納米剪紙結(jié)構(gòu)的多物理場協(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原位三維制備,、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)動微/納米機器人、微流體學(xué),、新型微納光機電系統(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。研究團隊特別感謝北京理工大學(xué)分析測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家自然科學(xué)基金（國家杰出青年基金和面上項目）,、國家重點研發(fā)計劃、廣東省重點研發(fā)計劃,、北京市自然科學(xué)基金等項目的支持,。
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
第一代納米剪紙原位三維制備技術(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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