聊一聊光机所在光学操控二维纳米片运动方面获得进展

李白二号

近日，中科院光机所光芯片集成研发中心研究团队提出了一种“二维光驱动纳米机器”模型，利用飞秒脉冲激光现二维金属纳米片在二维固体表面定向操控，该工作解决了在非流体环境中现光学操控微粒的难题，相关研究成果以“P2DW”为题发表于《自然·通信》（NC）。光携带力来操纵粒子的想法可以追溯到开普勒和牛顿，后来被麦克斯韦证。自阿瑟·阿什金等前辈的开创性工作以来，利用光束操控微型物体的研究在纳米科学与技术的相关领域占据举足轻重的位置。然而，光学操控技术主要在真空、空气和液体环境中工作，用以减少环境阻力。在非流体环境（如强范德华界面）中现光学操控微型物体仍然是一个很大的挑战。


研究团队利用传统的机械剥离法在蓝宝石衬底上制备了二维金属纳米片洁净烘箱，利用光学显微镜将飞秒脉冲激光垂直辐在纳米片上：当脉冲激光照时，二维纳米片开始运动，并在均匀光照区域内持续运动，通过激光的移动来改变辐照区域，从而使二维纳米片现定向运动。由于衬底的存在，纳米片的运动被控制在二维水平表面。通过对不同的二维纳米片进行对比性验，研究发现，具有高的线性吸收系数和热膨胀系数的金属型材料（例如VS2和TS2）才能在该光学操控系统中具有明显的运动行为，目前运动效率可达到434-1。


研究团队通过数值模拟分析，揭示了二维纳米片与衬底的界面中非对称型空气间隙的存在，能够使得纳米片在激光辐照下获得足够的温度梯度，导致面内热应力，从而在纳米片表面产生够强的弹性波，该弹性波把一部分动量传递给表面，使得纳米片与波动量方向相反的方向平移。由此形成的光声作用驱动机制，可以有效克服纳米片与衬底之间的强范德华力和摩擦力，比较终现了二维金属纳米片在蓝宝石衬底洁净烘箱的水平表面上自由运动。


该工作提出了在固体水平面上工作的二维纳米光驱动器模型，有效地扩展了光学操控技术的应用环境，有望在光学、机械、纳米技术等领域得到重要应用。







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