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北理工团队在纳米剪纸转子的光电镊自由操控研究方面取得重要突破


近日,欧洲杯在线平台买球物理学院李家方教授、姚裕贵教授团队,与北理工机电学院/集成电路学院张帅龙教授团队、以及国内外多家单位合作,提出并实现了游离态纳米剪纸转子的光电镊自由操控。通过利用纳米剪纸精密制造、滴定腐蚀精确释放以及光电镊精准操控等创新技术,首次实现了纳米剪纸转子的原位高效释放和光电协同多模态自由操控,并探索了其操控行为的内在物理机制和微通道器件应用潜力。该创新成果发表在《科学》子刊Science Advances上,并被Science主刊和Science Advances同时选为主页Highlight研究亮点报道。

剪纸(Kirigami)作为一种对纸张进行剪裁和折叠的传统艺术形式,为先进纳米制造提供了新颖的设计方法。与传统“增材制造”和“减材制造”技术相比,剪纸设计利用少量的材料损失和丰富的结构变换即可将平面二维图案形变成多功能的三维结构,可近似为一种“等材制造”技术。近年来,随着先进微纳制造技术的快速发展,剪纸形变设计概念已被拓展到微观尺度下的科学研究中。值得关注的是,北理工李家方教授及合作团队在2018年发明了一种纳米剪纸三维微纳制造技术[Sci. Adv. 4, eaat4436 (2018)],实现了多种新颖的三维及准三维纳米结构[Light-Sci. Appl. 9, 75 (2020)]及其力学上的可重构功能[Adv. Mater. 32, 1907077 (2020)],进一步在2021年为纳米光机电系统提供了一种新颖的光电调控机制[Nat. Commun. 12, 1299 (2021)]。在此趋势下,构建具有可重构拓扑形貌的多功能纳米剪纸结构成为一个新兴的研究方向。然而,与易于制造的宏观结构不同,纳米剪纸结构通常制备在纳米薄膜表面,原位固定的狭小空间变换范围极大地限制了它们的拓展应用。因此,克服纳米剪纸结构的空间移动限制成为一项重要挑战,一旦解决将可能挖掘更多功能新颖和应用广泛的自由操控纳米结构及器件。

图1:纳米剪纸微型转子的设计及自由操控。(A)宏观螺旋桨结构示意图;(B)纳米剪纸微型转子示意图,大小约为标准宏观螺旋桨的十万分之一;(C)利用光电镊中可编程光图案实现纳米剪纸微型转子自由操控的示意图。

基于以上挑战,本工作实现了一种光电协同自由操控的纳米剪纸微型转子(Nano-kirigami microrotors),包括概念设计(图1)、样品制备、光电驱动、运动机理以及功能演示。通过发展一种原位滴定腐蚀方法,成功将尺度约为10 μm的金属微型转子结构从基底上释放成为游离状态,并实现了向光电镊系统的高效转移和集成(图2)。光电镊技术基于光场和电场协同作用下的介电泳效应(Dielectrophoresis, DEP)产生驱动力(量级为nN),使其中的金属结构能够轻易地被极化而产生基于DEP效应的驱动力,在操控金属微纳物体方面性能优异,为金属纳米剪纸结构的自由操控提供了极佳的平台。

图2:纳米剪纸微型转子的制备、释放和转移。(A)纳米剪纸微型转子的制造流程图;(b)微型转子的实验制备、释放和转移示意图;(C-F)制备的微型转子光学显微镜和SEM图像;(G-I)释放和转移后的微型转子SEM图像和光学显微镜图片。比例尺:(C-H):5 ?m,(I):10 ?m。

研究团队通过光束图案编程,实现了纳米剪纸微型转子的高度自由的多模态操控(图3)。此外,该工作还通过理论建模和系统分析,揭示了微型转子与极化电场之间多样化的相互作用机制,进一步展示了微型转子在微通道环境中的狭道通行和开关阀门功能(图4)。

图3:纳米剪纸微型转子的多模态自由驱动实验。(A, B)微型转子的异平面翻转操控示意图及相应的实验捕获图像。比例尺:10 μm;(C-F)微型转子多模态驱动示意图和实验图像,包括垂直滚动、转向、自转以及公转。比例尺:30 μm;(G, H)在(C)和(F)驱动中微型转子的最大前进线速度和公转角速度与施加偏置电压的关系。

图4:纳米剪纸微型转子的微通道环境驱动。(A-C)纳米剪纸微型转子在站立状态下顺利通过狭窄微通道(宽度小于10 μm)实验的示意图、微通道SEM图像及驱动实验图像。比例尺:20 μm;(D-F)纳米剪纸微型转子在微通道前实现阀门的开放和关闭切换实验的示意图、微通道SEM图像及驱动实验图像。比例尺:20 μm。

相比于以往数百微米乃至宏观尺寸的微型转子研究,研究团队首次实现的纳米剪纸微型转子具有多种潜在应用价值。例如研究结果表明,纳米剪纸转子在多模态运动、站立狭道通行、通道阀门控制以及拉曼信号增强方面表现出独特的能力,有望为微流体学、MEMS系统、纳米光子学等领域的发展提供新颖的技术途径,并为多功能微纳机器人领域的发展实现带来新的研究思路。

此外,纳米剪纸结构的可形变特征还非常有利于多物理场的协同调控,包括力、热、电、磁、光、声等物理量的变化都引起纳米剪纸结构的光学特性差异,相关研究工作受Applied Physics Letters杂志邀请撰写Perspective封面文章(图5)。

图5:纳米剪纸结构的多物理场协同调控研究(Nano-kirigami/origami fabrications and optical applications, Appl. Phys. Lett. 124, 160501 (2024), Front Cover, doi: 10.1063/5.0199052)。

该研究工作突破了第一代纳米剪纸原位三维制备、第二代纳米剪纸片上光电调控的空间限制,成功将纳米剪纸结构释放转变为游离态,实现了第三代自由操控的纳米剪纸结构,在未来光电驱动微/纳米机器人、微流体学、新型微纳光机电系统等领域的发展中有重要的应用前景。北理工洪孝荣博士和徐冰睿博士为论文的共同第一作者,北理工李家方教授、张帅龙教授为论文的共同通讯作者。研究团队特别感谢欧洲杯在线平台买球分析测试中心给予的支持与帮助。该交叉学科研究工作得到了国家自然科学基金(国家杰出青年基金和面上项目)、国家重点研发计划、广东省重点研发计划、北京市自然科学基金等项目的支持。

文章信息(#为共同一作;*为通讯作者):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).

文章链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn7582

第一代纳米剪纸原位三维制备技术介绍:http://www.nanokirigami.com

第二代纳米剪纸片上光电调控技术介绍:https://www.bit.edu.cn/xww/xzw/xsjl1/b0962f707f8d41e99ea4ca627630fa3d.htm


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