【儀表網 研發快訊】在過去幾十年里，有多次諾貝爾獎與光鑷操控技術相關。傳統光鑷利用超強聚焦激光(~ 1×107 mW mm-2)產生的光梯度力(皮牛，~ 10-12 N)來操控微納顆粒，但存在系統復雜、光損傷、作用力小、操控范圍窄、僅適用于透明物體等問題。
新型光操控技術利用光響應性智能材料生成的溫度場、電場等，有效降低了傳統光鑷所需的光照強度，同時顯著增加了操控作用力，但這類技術仍面臨復雜系統、低靈活性、適應性差等關鍵難題，嚴重阻礙其實際應用。
近日，中國科學院深圳先進技術研究院智能醫用材料與器械研究中心杜學敏研究員團隊開發出了全新的光-電鑷(Photopyroelectric tweezer，PPT)，實現了對不同材質、相態和形狀物體的非接觸、跨尺度、普適、多功能操控。相關成果以“Photopyroelectric tweezer for versatile manipulation”為題，發表在期刊The Innovation上。
論文上線截圖
該光-電鑷基于鐵電高分子材料構建的光-電轉換器所產生光-電場，光強比傳統光鑷小7個數量級，但操控作用力比傳統光鑷大7個數量級，這使得它能成功操作體積范圍跨越10個數量級的液滴(1 pL~10 mL)，并實現細胞離子通道、單個細胞到細胞聚集體的不同尺度操控(圖1)，為微型機器人、類器官和神經調控等重點前沿科技領域研究提供全新工具和方法。
圖1：光-電鑷實現物體跨尺度、普適性、多功能操控
為了解決這些關鍵難題，杜學敏研究員團隊基于前期光響應智能材料和靜電鑷的研究基礎，開發出了全新的光-電鑷(Photopyroelectric tweezer，PPT)，其由兩個核心元素組成：近紅外激光光源和光-電轉換器。值得指出的是，光電轉換器包含具有高效光熱釋電性能的鎵-銦液態金屬顆粒摻雜的聚偏氟乙烯-三氟乙烯(LMPs/P(VDF-TrFE)高分子薄膜，以及具有減阻、抗污染、消除導電介質造成電荷屏蔽三重功能的潤滑層，通過兩片聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)封裝集成(圖2A-C)。
圖2：PPT的設計及宏觀與微觀操控系統
該光-電鑷展現出卓越且穩定的光電轉換性能：僅需2 mWmm2的光照強度下即可產生0.26 V的表面電勢，光照強度增加即可輕松增強光-電場，并且即便在表面介質厚度改變范圍為1 cm~10 cm和電導率調整范圍為1.16 mS cm-1 ~ 91 mS cm-1時，其光電性能仍能保持有效。光-電鑷融合了光和電場的雙重優勢，成功實現了不同場景下的多功能操控，展現出了前所未有的靈活性和適應性。
特別值得一提的是，相比光鑷，光-電鑷所需光照強度低7個數量級，卻能產生操控力高7個數量級，進而成功實現了不同材質(聚合物、無機物和金屬)、不同相態(氣泡、液體和固體)、不同形狀(球體、長方體、螺旋線)和活魚卵等物體的非接觸、普適性、程序化操控。
此外，光-電鑷不僅可以設計成為便攜式的操控平臺用于宏觀尺寸物體操控(圖2D)，而且還可與顯微成像系統集成，研制成顯微光-電鑷操控系統(圖2E，F)。光-電鑷的強大靈活性和適應性，使其能實現對5 μm至2.5 mm的固體顆粒、1 pL至10 mL的液滴的跨尺度操控。
同時，光-電鑷還可以應用于水凝膠微型機器人組裝和任務執行、不同材質和尺寸顆粒的篩選、活細胞的組裝、單個細胞的操控以及細胞刺激響應等微型機器人和生物醫學領域(圖3)。光-電鑷克服了傳統光鑷的局限性，填補了宏觀和微觀物體操控之間的空白，為機器人、類器官、再生醫學、神經調控等重點前沿科技領域提供新的工具與技術，并拓展其廣闊應用前景。
圖3：PPT在機器人和生物醫學領域的應用
杜學敏研究員為該論文的通訊作者，王芳博士、博士研究生劉聰、碩士研究生戴正進為共同第一作者，中國科學院深圳先進技術研究院鄭煒研究員、博士研究生高玉峰、碩士研究生馬新岳和中國科技大學葛學武教授為該論文的共同作者。該論文獲得國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院青年創新促進會、廣東省重點和深圳市醫學研究基金等科技項目支持。
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