介绍一种光-热-力多物理场耦合的高时空精度相分离微液滴操控方法

液液相分离的发生源于分子的自组装过程，其液滴的成核位置和生长状态随机且难以控制。为了实现精准、功能化的微液滴控制，来自华南理工大学的蒋凌翔教授和暨南大学的李宇超副教授提出了光-热-力多物理场耦合的高时空精度相分离微液滴操控方法，使光学操控技术与相分离微液滴碰撞出新的火花。

光热相分离微液滴实现的液体动画

液液相分离所构成的微液滴往往具有单个分子结构所不具备的特殊物理、化学性质和生物功能。如在细胞中由生物分子聚集形成的相分离微液滴，作为无膜细胞器参与到重要的生理活动中，如细胞微结构组装、转录调控和信号传导等，其状态也与许多疾病（如运动神经元病、阿尔茨海默症等）的发展有着密不可分的联系。同时，相分离微液滴的自组装特性和富集能力可辅助进行物质提纯和药物研发。由此，液液相分离微液滴在生物医学、合成化学等研究领域受到广泛的研究和应用。

然而，受到成核过程随机和分子浓度波动等因素的影响，液液相分离微液滴的生成位置、时间、形状和尺寸均难以控制，这使得精准、功能化的相分离微液滴操控成为挑战。

图1 升高温度诱导相分离溶液体系的示意图

针对上述问题，蒋凌翔教授和李宇超副教授等人提出一种基于光-热-力多物理场耦合的高时空精度相分离微液滴操控新策略。研究团队选取具有升高温度诱导相分离性质的材料体系（图1）作为实验溶液。将聚焦的近红外激光光束照射在金膜纳米薄片表面，利用金膜的高效光热效应将光能快速转化为热能，使得在固/液界面快速建立稳定的空间局域温度场，从而触发相变临界温度的等温面内的溶液成核，生成光热相分离微液滴（图2）。并且，当激光关闭，热场消散，微液滴也随之溶解消失。微液滴的生成/消失与光热场状态同步变化，使其展现出高时空响应能力。

图2 光热相分离微液滴产生的原理示意图

基于这一原理，研究团队随后将分时复用的多势阱光镊技术与金属纳米薄膜的高效光热效应相结合，调控激光光阱的排布和功率，将光场转化为精准的热场，使微液滴随热场分布构成任意形状，实现了光热相分离微液滴的液体图案化。图‍3展示了微液滴所构成的点、线、面等基础图案，以及构成复杂的“熊猫抱竹”图案，微液滴所呈现的液体绘画图案细节完整、线条流畅，高度还原了原始图案样本的结构。

图3 光热相分离微液滴实现的液体图案

随后，研究团队利用微液滴受到的热毛细力与自身的动态重塑特性，驱动微液滴随激光的扫描路径进行同步变化，实现了微液滴的定位/移动、融合/分裂和动态重构等可编程化的精准操控。图4展示了“化茧成蝶”的连贯相分离液体动画，微液滴的形态由毛毛虫变换为虫茧和蝴蝶的完整过程。

图4光热相分离微液滴实现的液体动画

在此基础上，研究团队进一步探索了可编程微液滴的多种应用功能。实现了微液滴在复杂信息编码中的应用，通过将音频信息转化为微液滴运动行为，呈现音乐可视化的效果。并实现了微液滴对蛋白分子、染料分子和纳米颗粒等多种样品的定点富集、转运和释放。以及利用微液滴构造了时空可控的仿生微反应器，增强了级联酶促反应的发生。

该研究工作中提出的光-热-力多物理场耦合的微液滴操控技术，不仅实现了多功能相分离微液滴的构造，也为液态材料的操控提供了一种高时空精度的新方法，在液滴微流控、仿生液态材料、光驱动微纳机器人等领域具有重要的应用前景。




审核编辑：刘清