納米操控：光學物質“布朗式棘輪”

2020-12-07 12:31

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

原創長光所Light中心中國光學收錄于話題#光鑷4個

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撰稿 | 楊大海（哈工大博士生）

在生活中，有很多的機械傳動裝置。正是得益于工程師們靈巧的設計，使得這些機構能夠服務于人們的現實生活。其中，在中學物理課本中大家最為熟知的是曲柄連桿裝置，體現在日常生活中最為常見的就是自行車傳動的棘輪裝置。

而在微觀世界里，微納粒子的運動或者說傳動是一個非常復雜的過程，其中潛藏著豐富的物理和化學作用。要想去研究這些微觀粒子的動力學過程以及對它們進行操縱，目前最好的方法自然是光鑷技術。

圖源：中國科學院長春光機所，Light學術出版中心，新媒體工作組

2018年獲得諾貝爾物理學獎的光鑷技術，大家耳熟能詳，其相關知識可以通過往期推文（點擊下面文章題目）獲得：

1 綜述：兩次獲得諾貝爾物理學獎的光鑷技術

2 綜述：光鑷技術的原理，實踐及應用

3 讓人遺憾的是，在今年的9月21日，諾獎得主阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)去世【?】，享年98歲。在這里讓我們再一次懷著一顆敬畏的心，向科學家前輩致敬。

在進入今天的主題之前，需要了解兩個非常專業的物理名詞，這對本篇報道的理解極為重要。

光學物質（Optical matter）：1990年8月17日，Science期刊以題目為“Optical Matter: Crystallization and Binding in Intense Optical Fields / 光學物質：在強光場中的結晶與結合”【?】，對光學物質這一概念做了定義，其是指將電磁場以一定適當形式耦合到微觀介質中，可以形成可擴展的晶體和非晶體陣列結構，稱之為光學物質。

光學物質的存在有兩種形式：

第一種是電介質物質直接響應于外加的駐波光場；

第二種是外加光場可能導致介電物質產生其它復雜的結構。

但無論怎樣，這些新的有序結構的產生都與入射光場和物質的極性有關。

布朗式棘輪（Brownian ratchets）：百度百科對布朗棘式輪模型做出的解釋是“布朗式棘輪模型是指線粒體前體蛋白從粗面內質網轉運到線粒體內膜是由于前體蛋白的擺動性（即布朗運動），可能會剛進入線粒體內膜即出膜，所以有mhsp（內膜熱休克蛋白）70與蛋白的N-導肽結合從而固定在內膜的表面，N-導肽在前體蛋白成熟后會由特定水解酶將水解掉。”

維基百科對布朗棘式輪模型做出的解釋是“布朗式棘輪（Brownian ratchet），又稱費曼棘輪，由波蘭物理學家瑪麗安·斯莫盧霍斯基于1912年提出的永動機設想，因物理學家理查德·費曼于1962年的講座中傳播開來。”其實質是指不違反熱力學第二定律的永動機裝置。如圖1所示，棘輪就是指如圖1.左邊緣上有特殊形狀的齒輪裝置。

圖1. 布朗式棘輪的運動構想圖

圖源：世界衛生創新峰會

總體來說，布朗式棘輪模式是研究不管是微觀、介觀還是宏觀動力學過程中不可或缺的一個模型。在2002年5月2日，Nature期刊以題目名為“Brownian ratchets: Darwin's motors / 布朗式棘輪：達爾文馬達”【?】，對布朗棘輪也做了報道，文中提到“生命活動所依賴的分子運動都來源于布朗運動”以及“在運動蛋白過程中，所創造的’秩序’是一種定向力，而選擇的動因是分子間的相互作用力。因此，布朗棘輪的概念不斷出現在新的語境中，這為我們在不同領域中的思考提供了豐富的空間。”所以說，在不同的領域布朗式棘輪模型具有更為廣闊的內涵和外沿。

在2020年10月19日，美國光學學會（OSA）旗艦期刊Optica發表了一篇題為“Optical matter machines: angular momentum conversion by collective modes in optically bound nanoparticle arrays / 光學物質機器：在光束縛下納米粒子實現集體模式的角動量轉換”的文章。

作者們在此提出了一種在納米尺度上進行光驅動的新方法，因為傳統的光驅動方式都關注在入射場對光學物質陣列產生的結構和動力學分析，而很少關注光學物質產生形成的散射場會有怎樣的特性。本文針對這個問題做出了詳細的分析討論。

圖2. 左圖為在圓偏振激光照射下，7個納米粒子（深藍色斑點）形成一個六邊形光學物質的動態仿真圖。淡藍色和黃色區域表示的是粒子周圍形成的電場；

右圖為計算分析光學物質橫向截面上的波印廷矢量流線圖；

圖源：Norbert F. Scherer/芝加哥大學；Vol. 7, No. 10 / October 2020 / Optica Fig.3 d)

如圖2所示，研究人員通過將右旋圓偏振激光入射到7個納米粒子上，150nm直徑的銀納米顆粒之間就會通過產生比光波長小得多的相互作用而發生自組裝效應，由于入射的圓偏振光具有旋轉對稱的光學束縛作用，使得7個粒子形成六邊形對稱的光學物質，中間具有一個粒子，其余的分布在六邊形周圍。

對于為什么成六邊形分布？是由于存在一個角動量守恒的選擇定則；選擇定則的存在決定了光學物質幾何形狀的模式，而幾何模式又決定著粒子散射場的分布。

在銀納米粒子實際的運動過程中，7個銀納米粒子會在右旋圓偏振的照射下，由于粒子的散射場會形成一個整體的“負扭矩”，其出現的現象是7個納米粒子整體像一個剛體一樣運動，其運動方向與入射場偏振態相反。

在圖2的仿真動態圖中體現不出這樣的運動，因為實際粒子整體運動的發生時間比此處仿真顯示的飛秒時間尺度要長得多，而在下圖的實際粒子捕獲中可以看到。更為有趣的是，如果在光學物質外圍有一個“探針”粒子存在時，探針粒子的運動將更為奇特，如圖3所示。

圖3. 左圖為光學物質機器的原理圖；

中間圖為實拍粒子運動時的截屏圖（黃色線為整體的剛體運動軌跡；紅色線為探針粒子的運動軌跡）；

右圖表示光學物質機器運動的示意圖（箭頭表示優先旋轉的方向；實心和空心方框表示探針粒子的穩定與不穩定狀態位置）

圖源：Vol. 7, No. 10 / October 2020 / Optica Fig.1 a)/ Fig.4 e)/ Fig.4 a)

探針粒子與光學物質組成了一個類似“布朗式棘輪”的結構，由于光學物質集體模式存在有一個散射場，如圖2的右圖所示，光學物質外圍就會存在一股電磁能流，能夠驅使探針粒子運動。

這里探針粒子的能量主要來源于自旋角動量（SAM）和軌道角動量（OAM）的相互轉化，會聚光束提供了一個光勢阱，形成了一個向內的相位梯度，探針粒子被約束在一個類似具有徑向約束的環形齒輪的外圍。并且探針粒子的運動方向與光學物質整體運動的方向相反，這恰好也體現著角動量守恒的原則。如下視頻所示，為銀納米顆粒的實際光捕獲實驗。

在此處，研究者開發出的這種微型光機器，可以將激光轉化為做功。并且，這些光動力機器可以自行自組裝，可實際用于納米級的微小粒子操作，如納米流體和粒子生物分子、細胞分選等應用。

本文通訊作者芝加哥大學的Norbert F. Scherer教授，在接受OSA的采訪時講到“我們的工作解決了納米科學界長期以來的一個目標，即創造可以在傳統環境中工作（如室溫液體），進行自組裝的納米尺度機器。”

其實，光學物質“布朗式棘輪”還有很多其它的有趣特性，例如穩定性、效率以及探針粒子的大小和個數等要素，有興趣的讀者可以通過下面鏈接查看論文原文。

文章信息

Optica Vol. 7, Issue 10, pp. 1341-1348 (2020) .

論文地址

https://doi.org/10.1364/OPTICA.396147

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