美国物理学家阿瑟·阿什金因光镊操控技术获得2018年获诺贝尔物理学奖，让研究人员在微观世界中也可“抓得着”物体。这一研究为物理、生物和材料科学等领域提供了颠覆性技术。但传统光镊面临着系统复杂、光损伤、操控作用力小、操控颗粒范围窄、仅适用于透明物体等诸多难题，严重阻碍其实际应用。

1月9日，记者从中国科学院深圳先进技术研究院了解到，该院医工所智能医用材料与器械研究中心研究员杜学敏团队基于前期的研究基础，自主研制出了新型光—电镊原型系统。该系统可实现对不同材质、相态和形状物体的非接触、跨尺度、普适、多功能操控。

光调控技术新突破

新型光操控技术利用光响应性智能材料生成温度场、电场等，有效降低了传统光镊所需的光照强度，显著增加了操控作用力。但这类技术仍面临系统复杂、低灵活性、适应性差等关键难题，影响了其实际应用。

2016年，杜学敏团队开始在光—电智能材料和静电镊领域开展研究工作。基于前期工作基础，研究团队开发出全新的光—电镊。

该光—电镊由两个核心元素组成：近红外激光光源和光—电转换器。其中，光—电转换器包含了研究团队自主研发的聚偏氟乙烯—三氟乙烯高分子薄膜和润滑层。聚偏氟乙烯—三氟乙烯高分子薄膜具有高效光热释电（光—电）性能，并掺杂了镓—铟液态金属颗粒；润滑层具有减阻、抗污染以及消除导电介质形成的电荷屏蔽功能。薄膜和润滑层通过两片聚甲基丙烯酸甲酯封装集成。

实验结果表明，研发团队提出的新型光—电镊展现出了卓越、稳定的光电转换性能。其在每平方毫米2毫瓦的光照强度下即可产生0.26伏的表面电势。光照强度增加可增强其光—电场，即便将表面介质厚度范围改变为1厘米至10厘米，电导率调整范围为每厘米1.16毫西门子至每厘米91毫西门子，其光电性能仍能保持有效。

“传统光镊需要的光强度较高，大约为每平方毫米1千万毫瓦，这会产生光损伤问题，导致微观尺度的调控可能会灼伤甚至杀死细胞。”杜学敏介绍，“相比之下，新型光—电镊所需要的光照强度很低，可通过高性能的光—电转换器产生的介电泳力操控物体，以避免高强度光对生物样本的损伤。”

打开微观调控大门

结合光场和电场的双重优势，新型光—电镊成功实现不同场景下的多功能操控，展现出了前所未有的灵活性和适应性。

值得关注的是，该光—电镊能采用比传统光镊小7个数量级的光强，产生比传统光镊大7个数量级的操控作用力，成功实现了不同材质（聚合物、无机物和金属）、不同相态（气泡、液体和固体）、不同形状（球体、长方体、螺旋线）和活鱼卵等物体的非接触、普适性、程序化操控。

杜学敏介绍，在应用层面，他们团队研发的新型光—电镊不仅可以设计成便携式的操控平台用于操控宏观尺寸物体，还可与显微成像系统集成，研制成显微光—电镊操控系统。

此外，光—电镊还能实现对5微米至2.5毫米的固体颗粒、1皮升至10毫升液滴的跨尺度操控。光—电镊还可被应用于水凝胶微型机器人组装和任务执行、不同材质和尺寸颗粒的筛选、活细胞的组装、单个细胞的操控以及细胞刺激响应等微型机器人和生物医学领域。

杜学敏表示：“光—电镊克服了传统光镊的局限性，填补了传统光镊无法实现的宏观和微观物体操控之间的空白，为机器人、类器官、再生医学、神经调控等重点前沿科技领域提供新的工具与技术。”