一种利用光致Lamb波对微米级颗粒进行大通量操控的光声图案化方法

近日，北京理工大学李锋教授联合华南理工大学李志远教授与中央民族大学郭红莲教授提出了一种利用光致Lamb波在空气中对微米级颗粒进行大通量操控的光声图案化方法。相关成果以“Programmable Photoacoustic Patterning of Microparticles in Air”为题发表于Nature Communications期刊。“光镊”与“声镊”技术各有优劣，光波的波长短，这意味着使用光来操控物体会更精密，而且成熟的光场调控仪器使得“光镊”技术拥有非常高的灵活性。但“光镊”只能操控透明颗粒，并且有破坏细胞活性的风险。而“声镊”较“光镊”具有更大的操控力，但现有的声场调控技术还存在着精度与灵活性不可兼得的问题。由上可以看出，“光镊”与“声镊”技术是可以互补的，研究者因此提出融合“光镊”与“声镊”技术的新手段。华南理工大学的张若钦博士为本文的第一作者，中央民族大学的赵希川硕士和北京理工大学的李金枝硕士为本文的共同第一作者；李锋教授，李志远教授与郭红莲教授为共同通讯作者。

眼球通过光线看见多彩缤纷的世界；听小骨通过振动听见充满生机的声音。我们已经习惯将光和声音当作感知世界的媒介。所以可以理解德国物理学家克莱尼（Ernst Florens Friedrich Chladni）使用克莱尼板演示声波对颗粒的排布、阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）使用激光光束实现对颗粒的捕获带给人们多大的震撼。光和声音能够操控物体本身就足够有趣，这种不需要直接接触物体的操控方法在生物学、医学、化学等领域具有重要应用，吸引了一代又一代人对其进行研究和发展。研究人员将这种利用光进行操控的技术命名为“光镊”，利用声音进行操控的技术命名为“声镊”，意为用光和声音像镊子一样操控物体。“光镊”以及“声镊”技术各有优劣，如果能够做到取长补短，既如同“光镊”一样灵活，又有“声镊”的大操控力，将更有利于非接触操控技术的发展。

研究者提出了空气中可编程的光声排列微粒方法（Programable photoacoustic patterning of microparticles in air, PPAP）。这种方法利用了光声效应和芯片尺度级别的弹性波，具有很高的灵活性、稳定性以及分辨率，结合了全息“光镊”技术以及“声镊”技术的优势。该方法的灵活性来自于数字微镜器件（Digital micromirrors device, DMD）。这种设备可以按照电脑上事先设定的目标图案来控制芯片上的微镜阵列的转动方向，从而将照射于微镜阵列上的均匀脉冲激光光斑有区分地反射到多层膜上。这样，照射到多层膜上的激光带有预定的目标图案。被激光照亮的薄膜区域吸收激光的能量，温度迅速升高，材料发生热膨胀。热膨胀带来的应变激发了多层膜上的弹性波。多层膜下方水层的衰减效果使得弹性波局域在激光照射区域。当微粒位于薄膜上时，弹性波将动能从薄膜传递给微粒。形变越大的区域，颗粒受到的机械力也越大。具有足够动能的微粒可以抵消与薄膜之间的粘附力，从而被推向周围。因为振动强烈的位置被局域在激光图案附近，所以颗粒排布成的图案与激光的图案具有一致性。这一操作能将光学方法的高空间分辨率、高时间刷新频率和声学方法的高生物相容性、大操控力整合在一起。

研究者利用该方法产生特殊的激光图案，实现了对大量粒子的同时操控。例如使用同心圆状激光图案对颗粒进行束缚与输运。

图1 可编程光声排列颗粒系统的示意图和弹性波的传播。(a) 系统的示意图。经过DMD调制的脉冲激光束照射到金属薄膜上引发局部光声效应。(b) 仿真计算的光声效应引起的弹性波传播的时空图。(c) 实验测量的弹性波传播的时空图。

技术突破与创新点

利用可编程光声排列颗粒方法可以实现两种不同类型的图案。一种是将线条部分的颗粒移走的阴文；一种是移走背景上的颗粒，保留线条上的颗粒的阳文。其中阴文图案的成型相对直接，多层膜上平铺的颗粒会排列成与激光图案相似的分布。图2(a)是目标图案，图2(b)显示的是多层膜某个时刻对应的变形量。可以看出，激光图案的每条曲线都在多层膜上造成对应的凹陷和凸起。该方法可以同时驱动上万颗微米颗粒运动。脉冲光照射大约3.5秒钟后，微米颗粒排布出清晰的猪八戒阴文图案，文章展示了“安静的猪八戒”（如图2(c)所示），“微笑的猪八戒”，和“大笑的猪八戒”图案（可见附录动画）。通过编程控制，该方法也可以产生其它任意图案。

图2 阴文图案的颗粒排布。(a) 猪八戒样式的目标图像。(b) 激光脉冲照射2 μs后的多层膜振动位移场。(c) 与“安静的猪八戒”样式图案相对应的图案化颗粒的照片。

附录动画：

想把颗粒排布成阳文样式的图案则需要额外的步骤。以图3(a)所示的木棉花图案为例，我们需要去除掉绿色区域内的颗粒，保留构成花朵轮廓的白色区域的颗粒。如图3(c-f)所示，颗粒如同水浪一般被弹性波带到了不同的区域。大约两分钟后，剩下的颗粒构成了如图3(b)所示的木棉花阳文图案。

图3 木棉花阳文图案化。(a) 木棉花目标图像。(b) 木棉花阳文图案化排布的最终结果。(c) 外部区域图案化过程中的三帧。(d) 去除木棉花外部区域颗粒的过程。(e) 内部区域图案化过程中的三帧。(f) 木棉花内部区域颗粒的图案化进程。

附录动画：

“光声镊”平台将“全息光镊”的灵活性与“声表面波声镊”的大驱动力相结合，为高效、高分辨率粒子操纵提供了可能，其潜在应用包括微粒组装、微型机器人制造，同时也为微型3D打印提供了新途径。

审核编辑：刘清