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科学封面(第28期)丨科学美:光让一片金箔在空中翩翩起舞

编辑:叶鑫 来源:学术委员会 时间:2019年03月11日 访问次数:2219  源地址


试想一下,拨动一块放在铅笔上的硬纸片,纸片能绕着铅笔一直旋转么?不能。但是,在尺度缩小一百万倍的微观世界里,事情就变得不太一样了。诞生于真人真钱网上娱乐大学现代光学仪器国家重点实验室的一支圆圈舞,今天登上了ScienceAdvances杂志:“舞者”是一片纳米金箔,只有拇指指甲盖的百万分之一大,“舞台”是一根粗细约头发丝50分之一的光纤,在光的驱使下,金箔绕着光纤一圈圈地旋转,“舞步”轻快。这是人们第一次实现用光在空气和真空中驱动微米金箔绕光纤旋转,在此之前,这支舞根本跳不起来,或者只能在液体环境中才能实现。

 

评论认为,这支“舞”为人们下一步研究纳米机器人提出了崭新的思路。论文第一编辑为真人真钱网上娱乐大学光电科学与工程学院博士生卢锦胜,通讯编辑为仇旻教授,真人真钱网上娱乐大学为第一完成单位。论文合编辑还包括真人真钱网上娱乐大学李强教授,新加坡国立大学仇成伟教授,真人真钱网上娱乐大学博士生洪宇,以及真人真钱网上娱乐大学助理教授Pintu Ghosh。


微观世界,寸步难行


纳米机器人给人展示了美好的应用前景,而光,是理想的“动力”。因为光具有动量,作用在物体上时可以产生推力。但在微观世界,在干燥的环境下,光要施展伸手,必须面对一个强劲的对手——表面粘附力,也叫范德华力。壁虎能够稳稳地吸附在墙面,便是脚上的微纳结构与墙壁之间的范德华力所致。

 


“你可以想象,如果把一个人缩小一千万倍到纳米尺度,此时表面粘附力变得非常强,比重力大几个数量级,人就会像被一块粘虫板黏住,变得寸步难行。”圈圈舞的“导演”卢锦胜说。

 

相比强大的粘附力,微弱的光力小了几个数量级,要想用光力来驱动物体,显得杯水车薪。此前,人们试图借助液体的浸润来消除这种粘附力,从而实现光推动物体。但是在空气或者真空中,人们还没有想出对付粘附力的办法。“在大家的研究中,大家让纳米材料带着‘镣铐’起舞。”仇旻说。他们的思路是将之前人们认为束缚纳米器件运动的粘附力巧妙地转化为“起舞”的动力。


借力使力,完美旋转

 

“受尺蠖运动的启发,大家靠‘借力’突破了这个难题。”卢锦胜说明了金箔旋转背后的原理:金箔会吸取光会产生热,当光以脉冲形式一亮一灭,金箔迅速受热膨胀然后收缩,这瞬间的一伸一缩,激起了金箔表面的弹性波,这就如同一根竹竿在平静的水面上一拍就会激起水波一样。“在叶片表面蠕动的虫子,身子会一伸一缩,再借助与叶片的摩擦力就能向前运动。这片金箔就像一只纳米爬虫,借助一伸一缩的表面弹性波以及与光纤之间的粘附力,从而使整个身子往前挪动,绕着光纤‘爬行’”。

 

 

金箔在光的驱动下绕着光纤旋转器件示意图


值得一提的是,由于表面的强粘附力,使得金箔牢牢地附着在光纤表面,一个光脉冲会驱动金箔挪动一点点,使用一系列光脉冲就能让金箔做步进运动。金箔的运动可以非常精确地控制,精度能达到亚纳米量级。这一点优于之前绝大多数光力操纵的工作,比如用光镊操纵在液体或者完全悬浮在空中的物体,由于布朗运动,物体并不是被牢牢地被控制,而是在捕获的位置附近做小幅度(纳米甚至微米量级)无规则的运动,因此这种情况下无法很精确地操纵物体的运动。


据了解,这是人们第一次在非液体环境中实现光驱动纳米器件在物体表面做旋转运动。Science Advances评审专家说,“这项工作为在干燥环境中实现旋转自由度控制之一长期难题带来了光明(doing so, they bring light to a long-standing problem of controlling the rotational degree of freedom in a dry environment)”。“到目前为止,绝大部分光驱动旋转是通过光与物体的动量交换实现的,通常需要在液体的环境下才能实现。而大家采用了一种相对特殊的光与物质相互作用方式——光致表面弹性波,实现了在非液体环境下驱动物体。之前认为不利于运动的表面粘附力在这里成为了驱动物体运动的必要因素,这是反直觉的。”仇旻课题组还尝试了通过改变脉冲频率来改变金箔的旋转速度,并用光学显微镜和电子显微镜记录了它在空气和真空中翩翩起舞的样子。在此之前,仇旻课题组还实现了在光纤表面用光驱动金箔做往复移动(Phys. Rev. Lett. 118, 043601 (2017))。

 

实验中微米金箔在纳秒脉冲光的驱动下绕着微米光纤连续旋转的光学显微镜(上)和电子显微镜(下)序列帧图


这个纳米级旋转运动器在各个领域提供了前所未有的应用场景,例如外太空光机电系统,能量转换,真空高精度力学等。该成果未来具体可能会应用在微型激光雷达系统、激光扫描显示系统以及全光集成控制系统中,高精度地控制微型旋转镜的运动。相关学者认为,这种新的光驱动现象的发现将启发关于光学驱动和操纵一系列新的探索。

 

论文链接:http://advances.sciencemag.org/content/5/3/eaau8271


(科学撰稿人:周炜 卢锦胜)


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