“光热效应” ≠ “光热损耗”：Acc. Chem. Res.报道光热操控技术的新进展

光学操控技术是将光能转化为机械能并施加于低维材料上，以实现对小尺寸物体精确操作的一门光学技术。光学操控技术可广泛应用于材料科学与生命科学各个领域，例如对纳米材料进行单颗粒精度的组装调控、对生物细胞进行原位光学分析等，在新型功能材料的开发、纳米药物研制中具有重要的应用前景。

在传统的光镊技术（optical tweezers）中，“光热效应”普遍视为一种负面因素，由激光辐照产生的热能会严重降低光学操纵的稳定性，限制材料的光热响应，也成为传统光学操控技术的关键问题。然而，光热效应的合理调控与开发不仅可以降低其在光学操控中的负面影响，还可克服传统光镊技术所存在的若干局限性。近日，美国德州大学奥斯汀分校的郑跃兵教授（点击查看介绍）课题组应国际化学旗舰综述期刊Accounts of Chemical Research主编的邀请，撰写了题为“Optothermal Manipulations of Colloidal Particles and Living Cells”的综述文章，总结了该课题组近年来在光热操控技术的开发与应用上的一系列工作。

图1. 光热操控技术示意图

首先，该文章简单介绍了光热操控技术的五个核心物理机制，包括气液表面温度梯度引起的马伦格尼对流、由溶液中温度梯度引发的热泳迁移、热电效应、空乏作用力以及在大气环境下非均匀加热诱导的光泳现象（图2）。正确地理解低维材料在光生热电场中的热迁移规律为光热技术的设计与开发提供了物理基础。

图2. 光热操控技术物理机制小结

接着，文章重点介绍了该课题组近年来开发的若干新型光热操控技术及其在材料科学、生命科学中的应用。具体包括：

1.激光气泡印刷术（bubble-pen lithography）：利用多孔金属薄膜在激光激发下产生的局域温度场及由此产生微米气泡，该技术可将分散于水溶液中包括量子点在内的各种低维材料迅速捕获至气泡表面，并固定于衬底表面，其写入速度高达10^-2 m/s。通过对光学信号的程序化控制，该技术可进一步实现不同胶体材料任意图案的高效率写入成型（Nano Lett., 2016, 16, 701; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 16725; J. Mater. Chem. C, 2017, 5, 5693）。

2.界面熵诱导热泳光镊技术（thermophoretic tweezers）：首次提出了界面熵诱导的光学热泳操控理论模型，并基于该模型成功研制了新型热泳光镊，将传统光镊技术的操控功率降低2-3个量级。同时，将热泳光镊成功应用于活体细胞的光学操控中，嵌入光学成像系统，实现了活体细胞的无损多样化操控（ACS Nano, 2017, 11, 3147; Lab Chip, 2017, 17, 3061）。

3.热电纳米光镊技术（opto-thermoelectric nanotweezers）：利用纳米胶束的热泳迁移和溶液中的热电效应，提出“光-热-电-机械”多场耦合微流光镊的概念，成功研制了热电纳米光镊技术，实现金属等离激元纳米材料的低功率操控（比传统光镊低3个量级）；利用热电纳米光镊实现了金属纳米材料的高效可逆光学组装及其对溶液中不同有机分子的原位表面增强拉曼探测；进一步开发空乏作用力作为低维胶体材料的键合作用力，实现了胶体材料的多样化组装（如视频演示）；调控热电场和胶束颗粒静电场之间的力学平衡，实现了胶体颗粒的可重构印刷。（Nat. Photonics, 2018, 12, 195; ACS Nano, 2016, 10, 9659; Sci. Adv., 2017, 3, E1700458; Chem. Commun., 2017, 53, 7357）

文章的最后，作者对光热操控技术的未来发展方向作出了展望，包括多场耦合微流光镊的技术革新、新概念光镊技术的开发以及光热操控技术在功能胶体器件的研发和生命科学中的应用前景等。

该论文作者为：Linhan Lin , Eric H. Hill, Xiaolei Peng and 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）：

Optothermal Manipulations of Colloidal Particles and Living Cells

Acc. Chem. Res., 2018, 51, 1465, DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00102

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