中科院物理所光镊驱动Janus粒子可控旋转研究取得进展

上个世纪90年代起，随着纳米科技走进人们的视线，宏观世界中的器件走向微纳世界成为世界潮流。微型马达由于能广泛应用于微机电、微流、生物医药等领域而倍受青睐，而光场、电场和磁场常常作为动力来智能地操控微型马达。传统的光驱动的旋转微马达可以通过向具有双折射性质的物体传递角动量或向形状不对称的物体传递动量来实现。但是这些方法要么需要精巧的设计和精湛的微加工工艺来实现，要么需要对光束形态进行复杂的修饰。找到一种操控简单，可大量制备的旋转微马达是有待解决的技术难题。

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）软物质物理实验室研究员陈科课题组与光物理实验室研究员李志远课题组合作，找到一种操控简单、可大量制备的Janus粒子，并实现了这类Janus粒子在激光光束强聚焦形成的光阱中稳定可控的旋转。此外，拓展了几何光学理论，揭示了对称性破缺在Janus粒子可控旋转中的重要作用。相关工作发表在ACS Nano 9, 10844-10851(2015)上。

合作小组的宗奕吾和刘静等利用胶体颗粒自组装技术和磁控溅射镀膜技术，制备了光学性质不对称的粒子：由半面镀金的聚苯乙烯(PS)颗粒球构成的Janus粒子（图1）。在SEM下，可以清楚地看到单个Janus粒子的金属-PS边界处成半月状。由于PS小球六角密堆排列的性质，每个Janus粒子上有六个半月形的图案，在理想制备条件下它们应该完全一样，但是实际条件下总会存在差别。将Janus粒子放入1064nm波长的光镊中后，发现粒子可持续单向旋转，将同一个粒子移出光镊再使其重新进入光镊后，粒子可反向持续旋转（图2）。Janus粒子在光镊中的运动特征观测结果（图3）显示，粒子在光镊中有规整的圆形轨迹和稳定的取向。粒子的质心围绕入射光束做旋转（公转）的同时，粒子还围绕金属-PS分界面的几何轴线做旋转（自转）。有趣的是，自转和公转运动同步进行，其旋转方向（顺时针或者逆时针）取决于光镊和粒子的相对位置，旋转速度可通过改变激光的功率或物镜的数值孔径来调节。为进一步探究旋转运动背后的物理原理，合作小组发展了简洁、高效的几何光学方法，计算了“完美”（具有60゜旋转对称性）和“不完美”（60゜旋转对称破缺）的Janus粒子模型在光镊中的受力及力矩。计算结果表明，“完美”的Janus粒子会被光阱稳定捕获，但是无法旋转；“不完美”的Janus粒子在光镊中则可以持续地顺时针或逆时针旋转（图4），说明稳定的旋转是由于粒子结构对称性破缺造成的。计算还表明，粒子的自转和公转运动是光阱力和力矩共同作用的结果。部分计算工作发表在Photonics Research 3, 265-274(2015)上。

Janus粒子在聚焦光阱中的可控旋转运动的观测及其背后物理机理的研究，揭示了复杂粒子在聚焦光场中丰富多彩的运动形态。研究这类具有双亲修饰的Janus粒子的运动机理，将为制作微型泵、微型阀、微型马达等纳米尺度和微米尺度的机械器件，并利用光、电、磁等技术实现机械性能的调控等重要的基础和应用研究提供有益的思路和便捷的方法。

以上研究工作得到国家自然科学基金委、科技部和中国科学院项目的支持。

图1.Janus粒子制备流程图和几何结构SEM图片

图2.Janus粒子在光阱中的顺时针和逆时针旋转运动的光学显微镜图像

图3.Janus粒子在光阱中的自转和公转运动形态参数的观测结果