北理工團隊在納米剪紙轉子的光電鑷自由操控研究方面取得重要突破
發布日期：2024-04-29 供稿：物理學院 攝影：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數：
近日，北京理工大學物理學院李家方教授、姚裕貴教授團隊，與北理工機電學院/集成電路學院張帥龍教授團隊、以及國內外多家單位合作，提出并實現了游離態納米剪紙轉子的光電鑷自由操控。通過利用納米剪紙精密制造、滴定腐蝕精確釋放以及光電鑷精準操控等創新技術，首次實現了納米剪紙轉子的原位高效釋放和光電協同多模態自由操控，并探索了其操控行為的內在物理機制和微通道器件應用潛力。該創新成果發表在《科學》子刊Science Advances上，并被Science主刊和Science Advances同時選為主頁Highlight研究亮點報道。
剪紙（Kirigami）作為一種對紙張進行剪裁和折疊的傳統藝術形式，為先進納米制造提供了新穎的設計方法。與傳統“增材制造”和“減材制造”技術相比，剪紙設計利用少量的材料損失和豐富的結構變換即可將平面二維圖案形變成多功能的三維結構，可近似為一種“等材制造”技術。近年來，隨著先進微納制造技術的快速發展，剪紙形變設計概念已被拓展到微觀尺度下的科學研究中。值得關注的是，北理工李家方教授及合作團隊在2018年發明了一種納米剪紙三維微納制造技術[Sci. Adv. 4, eaat4436 (2018)]，實現了多種新穎的三維及準三維納米結構[Light-Sci. Appl. 9, 75 (2020)]及其力學上的可重構功能[Adv. Mater. 32, 1907077 (2020)]，進一步在2021年為納米光機電系統提供了一種新穎的光電調控機制[Nat. Commun. 12, 1299 (2021)]。在此趨勢下，構建具有可重構拓撲形貌的多功能納米剪紙結構成為一個新興的研究方向。然而，與易于制造的宏觀結構不同，納米剪紙結構通常制備在納米薄膜表面，原位固定的狹小空間變換范圍極大地限制了它們的拓展應用。因此，克服納米剪紙結構的空間移動限制成為一項重要挑戰，一旦解決將可能挖掘更多功能新穎和應用廣泛的自由操控納米結構及器件。
圖1：納米剪紙微型轉子的設計及自由操控。(A)宏觀螺旋槳結構示意圖；(B)納米剪紙微型轉子示意圖，大小約為標準宏觀螺旋槳的十萬分之一；(C)利用光電鑷中可編程光圖案實現納米剪紙微型轉子自由操控的示意圖。
基于以上挑戰，本工作實現了一種光電協同自由操控的納米剪紙微型轉子（Nano-kirigami microrotors），包括概念設計（圖1）、樣品制備、光電驅動、運動機理以及功能演示。通過發展一種原位滴定腐蝕方法，成功將尺度約為10 μm的金屬微型轉子結構從基底上釋放成為游離狀態，并實現了向光電鑷系統的高效轉移和集成（圖2）。光電鑷技術基于光場和電場協同作用下的介電泳效應（Dielectrophoresis, DEP）產生驅動力（量級為nN），使其中的金屬結構能夠輕易地被極化而產生基于DEP效應的驅動力，在操控金屬微納物體方面性能優異，為金屬納米剪紙結構的自由操控提供了極佳的平臺。
圖2：納米剪紙微型轉子的制備、釋放和轉移。(A)納米剪紙微型轉子的制造流程圖；(b)微型轉子的實驗制備、釋放和轉移示意圖；(C-F)制備的微型轉子光學顯微鏡和SEM圖像；(G-I)釋放和轉移后的微型轉子SEM圖像和光學顯微鏡圖片。比例尺：(C-H)：5 μm，(I)：10 μm。
研究團隊通過光束圖案編程，實現了納米剪紙微型轉子的高度自由的多模態操控（圖3）。此外，該工作還通過理論建模和系統分析，揭示了微型轉子與極化電場之間多樣化的相互作用機制，進一步展示了微型轉子在微通道環境中的狹道通行和開關閥門功能（圖4）。
圖3：納米剪紙微型轉子的多模態自由驅動實驗。(A, B)微型轉子的異平面翻轉操控示意圖及相應的實驗捕獲圖像。比例尺：10 μm；(C-F)微型轉子多模態驅動示意圖和實驗圖像，包括垂直滾動、轉向、自轉以及公轉。比例尺：30 μm；(G, H)在(C)和(F)驅動中微型轉子的最大前進線速度和公轉角速度與施加偏置電壓的關系。
圖4：納米剪紙微型轉子的微通道環境驅動。(A-C)納米剪紙微型轉子在站立狀態下順利通過狹窄微通道（寬度小于10 μm）實驗的示意圖、微通道SEM圖像及驅動實驗圖像。比例尺：20 μm；(D-F)納米剪紙微型轉子在微通道前實現閥門的開放和關閉切換實驗的示意圖、微通道SEM圖像及驅動實驗圖像。比例尺：20 μm。
相比于以往數百微米乃至宏觀尺寸的微型轉子研究，研究團隊首次實現的納米剪紙微型轉子具有多種潛在應用價值。例如研究結果表明，納米剪紙轉子在多模態運動、站立狹道通行、通道閥門控制以及拉曼信號增強方面表現出獨特的能力，有望為微流體學、MEMS系統、納米光子學等領域的發展提供新穎的技術途徑，并為多功能微納機器人領域的發展實現帶來新的研究思路。
此外，納米剪紙結構的可形變特征還非常有利于多物理場的協同調控，包括力、熱、電、磁、光、聲等物理量的變化都引起納米剪紙結構的光學特性差異，相關研究工作受Applied Physics Letters雜志邀請撰寫Perspective封面文章（圖5）。
圖5：納米剪紙結構的多物理場協同調控研究（Nano-kirigami/origami fabrications and optical applications, Appl. Phys. Lett. 124, 160501 (2024), Front Cover, doi: 10.1063/5.0199052）。
該研究工作突破了第一代納米剪紙原位三維制備、第二代納米剪紙片上光電調控的空間限制，成功將納米剪紙結構釋放轉變為游離態，實現了第三代自由操控的納米剪紙結構，在未來光電驅動微/納米機器人、微流體學、新型微納光機電系統等領域的發展中有重要的應用前景。北理工洪孝榮博士和徐冰睿博士為論文的共同第一作者，北理工李家方教授、張帥龍教授為論文的共同通訊作者。研究團隊特別感謝北京理工大學分析測試中心給予的支持與幫助。該交叉學科研究工作得到了國家自然科學基金（國家杰出青年基金和面上項目）、國家重點研發計劃、廣東省重點研發計劃、北京市自然科學基金等項目的支持。
文章信息（#為共同一作；*為通訊作者）：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).
文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn7582
第一代納米剪紙原位三維制備技術介紹：http://www.nanokirigami.com
第二代納米剪紙片上光電調控技術介紹：http://www.d69x.com/xww/xzw/xsjl1/b0962f707f8d41e99ea4ca627630fa3d.htm
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