热电纳米光镊：Nature Photonics报道纳米材料光学操控技术的新进展

纳米材料的设计与开发是当今前沿科学研究的热点，如何对这些低维材料进行精确操控成为人们思考的问题。光镊技术作为一种成熟的光学操控技术已经广泛应用于各种小尺寸材料乃至生物细胞的操控与研究当中。然而，光镊技术在金属纳米材料的操控中却面临着巨大的挑战：一方面，操控材料尺寸越小，所需要的操控激光功率越高，高功率的激光对材料的结构性能会造成极大的损伤；另一方面，金属纳米材料在激光的照射下会具有强烈的热效应，进一步提高了光学操控的挑战性。

最近，美国德州大学奥斯汀分校的郑跃兵教授（点击查看介绍）研究团队基于微流体中离子的热泳迁移现象，研发了一种新型的“热电纳米光镊”技术。该技术克服了传统光镊在金属纳米材料操控中高功率、高损伤的问题，仅用0.1-0.4 mW量级的激光就可以操控尺寸低至20 nm左右的金属纳米颗粒。相关工作发表在Nature Photonics 上。

该团队在金属纳米材料水溶液中引入一种阳离子表面活性剂：十六烷基三甲基氯化铵（Cetyltrimethylammonium chloride, CTAC）。如图1所示，该表面活性剂分子由带正电的亲水头基和疏水尾基组成，临界胶束浓度以上，疏水尾基之间发生疏水效应，自组装成一种阳性胶束，半径约3 nm。同时，该表面活性剂吸附于水溶液中的纳米材料，产生电荷修饰，导致纳米材料也带正电。此外，溶液中还存在表面活性剂的抗衡离子——带负电的氯离子。研究团队将该水溶液滴在一片多孔金膜上，并利用激光加热金膜产生光控温度场。由于阳性胶束和氯离子之间存在不同的热响应，在温度场的驱动下，胶束颗粒和氯离子产生不同的浓度分布，从而获得一种指向加热激光束的操控电场，将带正电的纳米颗粒束缚于光斑处。同时，由于纳米颗粒在衬底之间的胶束颗粒发生激光驱离，这些胶束颗粒对纳米颗粒施加额外的渗透压，也称为空乏作用力，进一步提高了光学束缚的稳定性。

图1. 热电纳米光镊的工作机制

该工作的第一作者林琳涵博士表示：“在这项技术中，表面活性剂胶束不仅起到人们熟知的电荷修饰的作用，同时，它还是体系中一种特殊的阳离子，并提供了重要的空乏作用力。利用这项技术，我们可以操控包括金属材料、介电材料、有机材料在内的不同纳米颗粒，甚至可以对单根纳米线进行旋转操控。我们将暗场光谱集成到光镊技术中可以对操控的纳米材料进行原位分析与鉴定，并可精确调控纳米材料之间的相互作用”。

如视频所示，该研究团队演示了如何利用0.2 mW的激光束实现单个100 nm Ag纳米球的光学束缚和动态操控、多个Ag纳米球的平行操控以及单个Ag纳米线的旋转操控。

纳米材料的光学操控是纳米科学与技术的重要组成部分，这项技术的成功开发将为胶体功能材料的设计、制备和广泛应用奠定基础。同时，在生命科学领域，活体细胞、生物分子以及纳米药物的光学操控将为单细胞尺度生命活动机制的探索、新药物的研制开发以及疾病的早期诊断和治疗提供新的途径。目前，该团队正致力于将这项技术应用于生命科学领域。

郑跃兵教授表示：“利用这项技术，我们将开发各种胶体功能器件，以此实现材料结构的精确调控与功能的优化。同时，我们的研究团队正致力于提高该光镊技术的生物兼容性，希望将其应用于生物细胞、生物分子的无损操控以及药物控制中，致力于生命健康的基础研究，为生命科学的探索提供新的途径”。

该论文作者为：Linhan Lin, Mingsong Wang, Xiaolei Peng, Emanuel N. Lissek, Zhangming Mao, Leonardo Scarabelli, Emily Adkins, Sahin Coskun, Husnu Emrah Unalan, Brian A. Korgel, Luis M. Liz-Marzán, Ernst-Ludwig Florin & Yuebing Zheng

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Opto-thermoelectric nanotweezers

Nat. Photon., 2018, 12, 195, DOI: 10.1038/s41566-018-0134-3

导师介绍

郑跃兵

http://www.x-mol.com/university/faculty/38310

课题组链接

http://zheng.engr.utexas.edu