在過去幾十年里，有多次諾貝爾獎與光鑷操控技術相關。傳統(tǒng)光鑷利用超強聚焦激光(~ 1×107?mW mm-2)產生的光梯度力(皮牛，~ 10-12 N)來操控微納顆粒，但存在系統(tǒng)復雜、光損傷、作用力小、操控范圍窄、僅適用于透明物體等問題。
 

　　新型光操控技術利用光響應性智能材料生成的溫度場、電場等，有效降低了傳統(tǒng)光鑷所需的光照強度，同時顯著增加了操控作用力，但這類技術仍面臨復雜系統(tǒng)、低靈活性、適應性差等關鍵難題，嚴重阻礙其實際應用。
 

　　近日，中國科學院深圳先進技術研究院智能醫(yī)用材料與器械研究中心杜學敏研究員團隊開發(fā)出了全新的光-電鑷(Photopyroelectric tweezer，PPT)，實現了對不同材質、相態(tài)和形狀物體的非接觸、跨尺度、普適、多功能操控。相關成果以“Photopyroelectric tweezer for versatile manipulation”為題，發(fā)表在期刊The Innovation上。
 

論文上線截圖
 

　　該光-電鑷基于鐵電高分子材料構建的光-電轉換器所產生光-電場，光強比傳統(tǒng)光鑷小7個數量級，但操控作用力比傳統(tǒng)光鑷大7個數量級，這使得它能成功操作體積范圍跨越10個數量級的液滴(1 pL~10 mL)，并實現細胞離子通道、單個細胞到細胞聚集體的不同尺度操控(圖1)，為微型機器人、類器官和神經調控等重點前沿科技領域研究提供全新工具和方法。
 

圖1：光-電鑷實現物體跨尺度、普適性、多功能操控
 

　　為了解決這些關鍵難題，杜學敏研究員團隊基于前期光響應智能材料和靜電鑷的研究基礎，開發(fā)出了全新的光-電鑷(Photopyroelectric tweezer，PPT)，其由兩個核心元素組成：近紅外激光光源和光-電轉換器。值得指出的是，光電轉換器包含具有高效光熱釋電性能的鎵-銦液態(tài)金屬顆粒摻雜的聚偏氟乙烯-三氟乙烯(LMPs/P(VDF-TrFE)高分子薄膜，以及具有減阻、抗污染、消除導電介質造成電荷屏蔽三重功能的潤滑層，通過兩片聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)封裝集成(圖2A-C)。
 

圖2：PPT的設計及宏觀與微觀操控系統(tǒng)
 

　　該光-電鑷展現出卓越且穩(wěn)定的光電轉換性能：僅需2 mWmm2的光照強度下即可產生0.26 V的表面電勢，光照強度增加即可輕松增強光-電場，并且即便在表面介質厚度改變范圍為1 cm~10 cm和電導率調整范圍為1.16 mS cm-1 ~ 91 mS cm-1時，其光電性能仍能保持有效。光-電鑷融合了光和電場的雙重優(yōu)勢，成功實現了不同場景下的多功能操控，展現出了前所未有的靈活性和適應性。
 

　　特別值得一提的是，相比光鑷，光-電鑷所需光照強度低7個數量級，卻能產生操控力高7個數量級，進而成功實現了不同材質(聚合物、無機物和金屬)、不同相態(tài)(氣泡、液體和固體)、不同形狀(球體、長方體、螺旋線)和活魚卵等物體的非接觸、普適性、程序化操控。
 

　　此外，光-電鑷不僅可以設計成為便攜式的操控平臺用于宏觀尺寸物體操控(圖2D)，而且還可與顯微成像系統(tǒng)集成，研制成顯微光-電鑷操控系統(tǒng)(圖2E，F)。光-電鑷的強大靈活性和適應性，使其能實現對5 μm至2.5 mm的固體顆粒、1 pL至10 mL的液滴的跨尺度操控。
 

　　同時，光-電鑷還可以應用于水凝膠微型機器人組裝和任務執(zhí)行、不同材質和尺寸顆粒的篩選、活細胞的組裝、單個細胞的操控以及細胞刺激響應等微型機器人和生物醫(yī)學領域(圖3)。光-電鑷克服了傳統(tǒng)光鑷的局限性，填補了宏觀和微觀物體操控之間的空白，為機器人、類器官、再生醫(yī)學、神經調控等重點前沿科技領域提供新的工具與技術，并拓展其廣闊應用前景。
 

圖3：PPT在機器人和生物醫(yī)學領域的應用
 

　　杜學敏研究員為該論文的通訊作者，王芳博士、博士研究生劉聰、碩士研究生戴正進為共同第一作者，中國科學院深圳先進技術研究院鄭煒研究員、博士研究生高玉峰、碩士研究生馬新岳和中國科技大學葛學武教授為該論文的共同作者。該論文獲得國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學院青年創(chuàng)新促進會、廣東省重點和深圳市醫(yī)學研究基金等科技項目支持。