作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 光电微锥的光学驱动和操纵的概念设计
(一)在光场作用下，聚苯乙烯/金亚努斯粒子被设置为交替游动和旋转，以遵循预定的路径
(b)当光照射到Janus粒子上时，由于PS和Au的不对称吸收，在粒子表面上产生从PS侧指向Au侧的温度梯度∇T
一旦骏利粒子分散在0
在2 mM CTAC溶液中，感应出一个热电场来驱动骏利粒子沿温度梯度运动
白色“+”符号表示带正电荷的表面
在b，c中，散焦激光束下的非对称加热和热电场显示在X-Z平面上
(d)示意图和当通过另一个聚焦激光束(由虚线圆包围的绿色区域表示)在X-Y平面旋转(如栗色箭头所示)时，骏利粒子的不对称加热
在d，e中，散焦的激光束被关闭。应用，doi: 10
1038/s 14377-020-00378-5 在最近的一份报告中，彭和美国得克萨斯大学材料科学与工程的一组科学家
S
和中国清华大学开发了由大肠杆菌(大肠杆菌)的运动行为所激发的光热电微锥生物传感器
大肠杆菌)
他们利用介电金骏利粒子来设计微锥，介电金骏利粒子由粒子光热响应产生的自持电场驱动
当他们用激光束照射这些结构时，骏利粒子沿着粒子表面显示出光学产生的温度梯度，形成光热电场来推动它们前进
研究小组根据粒子的方向发现了微锥的游动方向
他们提出了一种新的光学力学方法来理解微锥的导航方向，这种方法依赖于温度梯度感应电场，使用聚焦激光束
通过设定第二次旋转激光束的时间，他们将粒子定位在任何期望的方向，以有效地控制游泳方向
利用暗场光学成像和反馈控制算法，科学家们促进了自动微锥推进
光电微锥将应用于胶体系统、靶向药物输送和生物医学传感
这项研究现在发表在《自然之光:科学与应用》杂志上
微锥 微陀螺仪是一类能将外部化学、声学或电磁能量转化为游动运动的微机械
这种机器可用于各种生物医学应用，从靶向药物输送到精密纳米手术和诊断传感
在这项工作中，彭等人
在光热产生的电场中使用基于骏利粒子的全光学微锥来构建模拟大肠杆菌“奔跑翻滚”运动的光电微锥
大肠杆菌细胞
在它的作用机理中，在激光束照射下，骏利粒子的不对称光吸收导致了一个自生的温度梯度，从而产生了推动粒子前进的光电场
科学家们使用两个激光束驱动这个过程，其中第二个聚焦激光束在光学加热下触发单个骏利粒子的平面内旋转
由于装置中的热电力、光学力和斯托克斯阻力，研究小组实现了稳定的粒子旋转
彭等
通过实验与理论和模拟相结合，进一步研究了其工作机理
游泳2
1微米粒子/金粒子在0
2 mM CTAC(十六烷基三甲基氯化铵)溶液
信用:光:科学& amp应用，doi: 10
1038/s 14377-020-00378-5 概念和设计 为了促进光子-声子(光-声)的能量转换，研究小组通过在聚苯乙烯(PS)珠的表面半包覆一层薄的金(Au)层来开发光热电游泳器
在光照射下，聚苯乙烯和金之间的吸收差异在聚苯乙烯/金亚努斯粒子表面产生温度梯度
彭等
将骏利粒子分散到水溶液中，将热能转化为机械能
当受到热电场的驱动和激光束的照射时，骏利粒子沿着聚苯乙烯到金的方向迁移，从而显示出游动状态
然而，热波动会改变骏利粒子的方向，导致它们在迁移过程中偏离轨道
为了保持目标航向，科学家们关闭了散焦的激光束，并使用聚焦的激光束来旋转和捕获骏利粒子进行重新定向
在到达它们预定的方向后，它们关闭聚焦的激光束，将骏利粒子还原为散焦的激光束，使它们回到游泳状态
这种双态切换过程提供了最佳的设计，可以主动导航微锥以实现各种功能
离焦激光束下聚苯乙烯/金粒子的光热电游动
(一)游泳机构示意图
速度从聚苯乙烯半球指向镀金半球
游动速度是5米每秒金粒子光功率的函数
用一束31米的660纳米激光束驱动游泳
游泳的时间分辨图像2
1微米聚苯乙烯/金颗粒
使用一束1064纳米的激光束，其光束大小为31米，功率为32毫瓦，来驱动游泳
(四)游泳速度作为光功率的函数为2
1微米聚苯乙烯/金亚努斯粒子
两种不同的激光束，我
e
1064纳米激光束(光束尺寸为45米)和660纳米激光束(光束尺寸为45米)用于驱动游泳
图中的插图显示了一个聚苯乙烯/金粒子在散焦的激光束下游动
所有上述光束尺寸都是通过实验测量获得的
信用:光:科学& amp应用，doi: 10
1038/s 14377-020-00378-5 光电游动和定向控制 当彭等人
使用散焦的激光束来引导光热电微锥的运动，他们实现了骏利粒子的“能量池”
他们把沿着自生温度梯度的运动称为自热泳
在十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)的周围溶液中，自热泳是由热电效应引起的，从而使粒子产生特征运动
该团队可以减小实验装置的腔室厚度，以稳定流体流动，并促进骏利粒子的定向传输
由于骏利粒子的方向可以通过热波动随机改变，该团队使用第二个聚焦激光束来实现粒子旋转，以有效地导航游泳方向
他们通过切换激光束来定量分析旋转的骏利粒子，并提取它们的实时位置和方向数据
当激光功率增加时，粒子旋转也增加，尽管激光功率的持续增加对骏利粒子造成强烈的热效应和热损伤
转速取决于颗粒大小
为了理解热电势，彭等人
模拟聚苯乙烯/金纳米粒子表面的温度分布
然后他们计算了热电势和光学力来理解旋转动力学
该小组进行了进一步的研究，以了解骏利粒子的自对准行为
聚焦激光束对聚苯乙烯/金纳米粒子的取向控制
(一)配置和(二)相应的暗场图像的自由2
在X-Z平面上的7米聚苯乙烯/金亚努斯粒子
(3)配置和(4)旋转2°的相应暗场图像
在X-Z平面上的7米聚苯乙烯/金亚努斯粒子
地球自转的时间分辨暗场图像
7米聚苯乙烯/金骏利粒子
插图中的半青色、半金色颗粒显示了相应的配置，而插图中的栗色箭头显示了方向
插图中的绿点代表激光束(波长为532纳米)
2的中心位移
7米骏利粒子作为时间的函数
光束的中心被设置为坐标的原点
拟合正弦曲线表示圆形旋转
2的方向演变
7米骏利粒子作为时间的函数
拟合的锯齿波表示方向的一致转向
转速作为2的光功率的函数
7米PS/Au Janus粒子
在a–d中，对于自由的骏利粒子，在暗场光学图像中没有观察到粒子半球的边界，因为镀金部分倾向于与重力方向对齐
相反，当骏利粒子的面内旋转开始时，由于热电势和光学力的协同作用，聚苯乙烯-金界面变得垂直于衬底
在暗场光学图像中观察到非对称环，由于其较强的光学散射，较亮的半环对应于金涂层
插图显示了绿色激光束(波长为532纳米)下的旋转
样品平面上的激光束大小为2
e、h为65米
1的幂
9毫瓦用于旋转(e)用聚焦激光束控制聚苯乙烯/金亚努斯粒子的取向
信用:光:科学& amp应用，doi: 10
1038/s 14377-020-00378-5 反馈控制方法 该团队随后建立了一个反馈算法，以促进主动导航和引导骏利粒子的游泳方向
为了实现闭环控制，他们开发了一个计算机程序来跟踪给定骏利粒子的实时位置和方向，并自动协调控制系统
在实验装置中，两个计算机控制的快门决定了两个独立激光束的开/关状态
科学家们成功地推动了骏利粒子的定向游泳，旋转速度的增加降低了游泳方向的控制精度
对此，彭等人进行了解释
使用更高帧频的电荷耦合器件(CCD)摄像机，显著提高反馈控制的精度
然后，他们演示了使用反馈控制算法对光热电游泳者的目标运输进行主动导航
这项工作表明了光热电微锥携带药物分子和非金属部件用于精确输送的潜力，以及在靶向纳米/微米药物输送中的潜在应用
基于反馈控制的聚苯乙烯/金纳米粒子定向游泳和定向输运
(a)对实验记录的图像进行反馈控制的定向游泳示意图，其中聚焦的绿色激光束和散焦的红色激光束分别用于导航和驱动游泳
反馈控制方法流程图
反馈控制方法的光学设置和机械布局
向不同方向游动的5米每秒金粒子的轨迹
将一个5米长的聚苯乙烯/金纳米粒子靶向输送到一个10米长的聚苯乙烯粒子
5米532纳米激光束，功率为2
6毫瓦用于驱动旋转，而光束大小为31米、功率为160–200毫瓦的660纳米激光束用于驱动游泳
信用:光:科学& amp应用，doi: 10
1038/s 14377-020-00378-5 通过这种方式，彭和他的同事开发了具有全光学驱动和导航的光电微锥
他们通过利用骏利粒子的光热电耦合实现了这一点
光照射的骏利粒子产生的热量产生了一个热电场，在没有化学燃料的情况下将粒子推向特定的方向
他们使用聚焦的激光束来控制微锥的方向，并用第二束光束来控制骏利粒子的旋转
这种机制可以进一步探索，开发智能微机器人，用于生物医学的多种任务
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