eLight | 光学“吹风机”遥控微小“气球”

撰稿 | 陈明远、郭宸孜

很多人都熟悉吹风机吹气球的实验，利用伯努利原理，流动的空气与其运动方向成直角的平面所施加的压力，使得吹风机可以远距离操纵气球。

据此，马克斯-普朗克研究所的Moritz Kreysing团队脑洞大开，如果将吹风机换为光源，气球换为微尺度颗粒，是不是也能进行非接触式的操纵呢？

经过长时间的努力，作者得出了肯定的回复。先来看一个简短的小视频吧：

正如视频中所示，研究人员提出了一种利用光致谐波流体动力学势阱进行高灵敏度力测量的方案。该方案不需要激光和颗粒直接的相互作用，也对探针材料没有特定要求，而是利用光场将流体的拓扑缺陷转变为对胶体的吸引子。利用这一效应，可以以接近热极限的灵敏度探测飞-牛顿范围的力。

该工作发表在卓越计划高起点新刊《eLight》上，题为“Highly sensitive force measurements in an optically generated, harmonic hydrodynamic trap”。

光镊技术通过光场的控制来测量颗粒的微小受力，其问世对物理、生物、材料等学科产生了变革性影响，其发明人Arthur Ashkin也于2018年获得诺贝尔物理学奖。但是，目前这一技术极大依赖于探针材料的性质，同时受特定生物过程的影响，因此应用场景极为有限。

此前，国际上多个顶尖团队就流体动力学阱作了一系列开拓性研究，以图捕获光颗粒。然而这往往需要引入交叉微通道，以及复杂的光学驱动微转子等，使得实验难度很大。

鉴于此，在本篇文章中，研究人员提出了一种新型的光学诱导流体动力学阱，它有效地依赖于准一维流场中粒子的被动自定心。该场的特点有是线性力-位移关系，可以测量外力。

为此，该团队利用两个相对的共线热粘性流场，通过将红外激光的扫描线分成同一轴上的两个反向路径，从流动偶极子过渡到类似四极子的流场（图 1）。

图1：实验原理及力阱示意图

从技术上讲，这些是在亚毫秒时间尺度上以分时方式运行的。具体而言，激光扫描的方向决定了诱导流的方向，并且在没有直接激光照射的区域中，两个反向激光扫描路径（图2 中的水平箭头）之间会形成一个驻点。这排除了光捕获的可能性。对于位于两条激光路径之间的轴上的粒子，产生的流场实际上是一维的，驻点代表虚拟吸引子。

图2：可视化流场线

此外，在静态流场中，沿垂直延伸轴（图 2中的垂直箭头）的任何位置波动都会导致颗粒被排出。为了避免这种情况，该团队利用了这种微流体系统的光学控制能力。具体来说，通过主动反馈控制，使逆流的动态旋转和压缩轴与粒子的延伸快速重新对齐，从而恢复一维的几何。 

最后，该流体力学阱可以在微米尺度上感应飞牛顿力。

这种方法既不需要引入交叉微通道，也不需要引入复杂的光学驱动微转子，而是直接在由两个平行玻璃表面组成的通用显微镜室内产生复杂的流体动力学流场。相对于光镊，这种方法无须激光-颗粒的直接接触，同时不依赖于材料性质，这就为生物体内非侵入式、非接触式研究提供了全新可能。

作者认为，这篇工作只是一个全新的开始，将来他们会投入大量的精力，致力于将该方法推向实际应用，包括澄清该方法的理论框架、进一步缩小测量时间、探究光阱刚度和微颗粒大小的关系、实验验证其生物应用等等。

论文信息：

Stoev, I.D., Seelbinder, B., Erben, E. et al. Highly sensitive force measurements in an optically generated, harmonic hydrodynamic trap. eLight 1, 7 (2021).

https://doi.org/10.1186/s43593-021-00007-7

监制 | 郭宸孜、孙婷婷、赵阳

编辑 | 赵唯

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