介紹一種光-熱-力多物理場耦合的高時空精度相分離微液滴操控方法

液液相分離的發(fā)生源于分子的自組裝過程，其液滴的成核位置和生長狀態(tài)隨機且難以控制。為了實現(xiàn)精準(zhǔn)、功能化的微液滴控制，來自華南理工大學(xué)的蔣凌翔教授和暨南大學(xué)的李宇超副教授提出了光-熱-力多物理場耦合的高時空精度相分離微液滴操控方法，使光學(xué)操控技術(shù)與相分離微液滴碰撞出新的火花。

光熱相分離微液滴實現(xiàn)的液體動畫

液液相分離所構(gòu)成的微液滴往往具有單個分子結(jié)構(gòu)所不具備的特殊物理、化學(xué)性質(zhì)和生物功能。如在細胞中由生物分子聚集形成的相分離微液滴，作為無膜細胞器參與到重要的生理活動中，如細胞微結(jié)構(gòu)組裝、轉(zhuǎn)錄調(diào)控和信號傳導(dǎo)等，其狀態(tài)也與許多疾?。ㄈ邕\動神經(jīng)元病、阿爾茨海默癥等）的發(fā)展有著密不可分的聯(lián)系。同時，相分離微液滴的自組裝特性和富集能力可輔助進行物質(zhì)提純和藥物研發(fā)。由此，液液相分離微液滴在生物醫(yī)學(xué)、合成化學(xué)等研究領(lǐng)域受到廣泛的研究和應(yīng)用。

然而，受到成核過程隨機和分子濃度波動等因素的影響，液液相分離微液滴的生成位置、時間、形狀和尺寸均難以控制，這使得精準(zhǔn)、功能化的相分離微液滴操控成為挑戰(zhàn)。

圖1 升高溫度誘導(dǎo)相分離溶液體系的示意圖

針對上述問題，蔣凌翔教授和李宇超副教授等人提出一種基于光-熱-力多物理場耦合的高時空精度相分離微液滴操控新策略。研究團隊選取具有升高溫度誘導(dǎo)相分離性質(zhì)的材料體系（圖1）作為實驗溶液。將聚焦的近紅外激光光束照射在金膜納米薄片表面，利用金膜的高效光熱效應(yīng)將光能快速轉(zhuǎn)化為熱能，使得在固/液界面快速建立穩(wěn)定的空間局域溫度場，從而觸發(fā)相變臨界溫度的等溫面內(nèi)的溶液成核，生成光熱相分離微液滴（圖2）。并且，當(dāng)激光關(guān)閉，熱場消散，微液滴也隨之溶解消失。微液滴的生成/消失與光熱場狀態(tài)同步變化，使其展現(xiàn)出高時空響應(yīng)能力。

圖2 光熱相分離微液滴產(chǎn)生的原理示意圖

基于這一原理，研究團隊隨后將分時復(fù)用的多勢阱光鑷技術(shù)與金屬納米薄膜的高效光熱效應(yīng)相結(jié)合，調(diào)控激光光阱的排布和功率，將光場轉(zhuǎn)化為精準(zhǔn)的熱場，使微液滴隨熱場分布構(gòu)成任意形狀，實現(xiàn)了光熱相分離微液滴的液體圖案化。圖?3展示了微液滴所構(gòu)成的點、線、面等基礎(chǔ)圖案，以及構(gòu)成復(fù)雜的“熊貓抱竹”圖案，微液滴所呈現(xiàn)的液體繪畫圖案細節(jié)完整、線條流暢，高度還原了原始圖案樣本的結(jié)構(gòu)。

圖3 光熱相分離微液滴實現(xiàn)的液體圖案

隨后，研究團隊利用微液滴受到的熱毛細力與自身的動態(tài)重塑特性，驅(qū)動微液滴隨激光的掃描路徑進行同步變化，實現(xiàn)了微液滴的定位/移動、融合/分裂和動態(tài)重構(gòu)等可編程化的精準(zhǔn)操控。圖4展示了“化繭成蝶”的連貫相分離液體動畫，微液滴的形態(tài)由毛毛蟲變換為蟲繭和蝴蝶的完整過程。

圖4光熱相分離微液滴實現(xiàn)的液體動畫

在此基礎(chǔ)上，研究團隊進一步探索了可編程微液滴的多種應(yīng)用功能。實現(xiàn)了微液滴在復(fù)雜信息編碼中的應(yīng)用，通過將音頻信息轉(zhuǎn)化為微液滴運動行為，呈現(xiàn)音樂可視化的效果。并實現(xiàn)了微液滴對蛋白分子、染料分子和納米顆粒等多種樣品的定點富集、轉(zhuǎn)運和釋放。以及利用微液滴構(gòu)造了時空可控的仿生微反應(yīng)器，增強了級聯(lián)酶促反應(yīng)的發(fā)生。

該研究工作中提出的光-熱-力多物理場耦合的微液滴操控技術(shù)，不僅實現(xiàn)了多功能相分離微液滴的構(gòu)造，也為液態(tài)材料的操控提供了一種高時空精度的新方法，在液滴微流控、仿生液態(tài)材料、光驅(qū)動微納機器人等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。




審核編輯：劉清