上海光機(jī)所在光學(xué)操控二維納米片運(yùn)動(dòng)方面獲得進(jìn)展

近日，中科院上海光機(jī)所光芯片集成研發(fā)中心研究團(tuán)隊(duì)提出了一種“二維光驅(qū)動(dòng)納米機(jī)器”模型，利用飛秒脈沖激光實(shí)現(xiàn)二維金屬納米片在二維固體表面定向操控，該工作解決了在非流體環(huán)境中實(shí)現(xiàn)光學(xué)操控微粒的難題，相關(guān)研究成果以“Photoacoustic 2D actuator via femtosecond pulsed laser action on van der Waals interfaces”為題發(fā)表于《自然·通信》（Nature Communications）。

光攜帶力來操縱粒子的想法可以追溯到開普勒和牛頓，后來被麥克斯韋證實(shí)。自阿瑟·阿什金等前輩的開創(chuàng)性工作以來，利用光束操控微型物體的研究在納米科學(xué)與技術(shù)的相關(guān)領(lǐng)域占據(jù)舉足輕重的位置。然而，光學(xué)操控技術(shù)主要在真空、空氣和液體環(huán)境中工作，用以減少環(huán)境阻力。在非流體環(huán)境（如強(qiáng)范德華界面）中實(shí)現(xiàn)光學(xué)操控微型物體仍然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

研究團(tuán)隊(duì)利用傳統(tǒng)的機(jī)械剝離法在藍(lán)寶石襯底上制備了二維金屬納米片，利用光學(xué)顯微鏡將飛秒脈沖激光垂直輻射在納米片上：當(dāng)脈沖激光照射時(shí)，二維納米片開始運(yùn)動(dòng)，并在均勻光照區(qū)域內(nèi)持續(xù)運(yùn)動(dòng)，通過激光的移動(dòng)來改變輻照區(qū)域，從而使二維納米片實(shí)現(xiàn)定向運(yùn)動(dòng)。由于襯底的存在，納米片的運(yùn)動(dòng)被控制在二維水平表面。通過對(duì)不同的二維納米片進(jìn)行對(duì)比性實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，具有高的線性吸收系數(shù)和熱膨脹系數(shù)的金屬型材料（例如VSe2和TiSe2）才能在該光學(xué)操控系統(tǒng)中具有明顯的運(yùn)動(dòng)行為，目前運(yùn)動(dòng)效率可達(dá)到434 ms-1mW-1。

研究團(tuán)隊(duì)通過數(shù)值模擬分析，揭示了二維納米片與襯底的界面中非對(duì)稱型空氣間隙的存在，能夠使得納米片在激光輻照下獲得足夠的溫度梯度，導(dǎo)致面內(nèi)熱應(yīng)力，從而在納米片表面產(chǎn)生夠強(qiáng)的彈性波，該彈性波把一部分動(dòng)量傳遞給表面，使得納米片與波動(dòng)量方向相反的方向平移。由此形成的光聲作用驅(qū)動(dòng)機(jī)制，可以有效克服納米片與襯底之間的強(qiáng)范德華力和摩擦力，最終實(shí)現(xiàn)了二維金屬納米片在藍(lán)寶石襯底的水平表面上自由運(yùn)動(dòng)。

飛秒光操控二維納米片示意圖 該工作提出了在固體水平面上工作的二維納米光驅(qū)動(dòng)器模型，有效地?cái)U(kuò)展了光學(xué)操控技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境，有望在光學(xué)、機(jī)械、納米技術(shù)等領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。 相關(guān)研究得到了國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略重點(diǎn)研究項(xiàng)目、科技部高端外國專家獎(jiǎng)學(xué)金的資助。

審核編輯 ：李倩