导读

在微纳光学操控领域的持续探索中，光与物质相互作用所产生的力学效应为微观粒子操控提供了独特途径，其中光驱动微观转子的研究备受关注。然而，传统的光驱动结构在扭矩产生效率、粒子间相互作用机制及应用拓展性等方面存在诸多挑战。近日，瑞典查尔姆斯理工大学物理系的Mikael Käll团队引入了无束缚旋转超微转子为这一领域带来新的突破契机，这类超微转子凭借其特殊的光学超表面结构，在液体环境中能够高效地将光转化为旋转动力，展现出新颖的光学力学特性与动态行为，有望推动微纳光学机械系统的进一步发展。（见Abstract）

团队人员通过对超表面光栅结构的精细优化，精准确定了诸如非晶硅脊的尺寸与周期性等关键参数，确保超微转子能高效地将光的能量转化为旋转扭矩。这种独特设计使得超微转子在较低光强下即可实现稳定且高效的旋转，有效克服了传统光驱动结构在扭矩产生效率方面的不足，为微纳尺度的光驱动技术提供了新的设计思路与实现范例。研究团队借助一系列先进的研究手段，全面且深入地剖析了超微转子的物理特性与动态行为，进一步凸显其创新贡献。（见Results）

该文章近日发表在国际光学顶尖期刊《Light: Science & Applications》，题为“Transverse optical gradient force in untethered rotating metaspinners”，查尔姆斯理工大学的Mikael Käll为通讯作者，Einstom Engay和Mahdi Shanei为共同第一作者。

研究背景

在微纳结构的光学操控研究进程中，尽管已取得一定成果，但仍存在诸多亟待攻克的难题。于光学旋转领域而言，虽然部分物体可实现光驱动旋转，但高效的轨道角动量（OAM）转移机制尚不完善。像一些传统设计的微纳结构在改变光束OAM方面效率欠佳，难以精准调控光与物质间的动量交换过程，致使光驱动旋转的应用范围受限，无法充分满足如复杂微机械系统对精确扭矩控制的需求。（见Introduction）

在基于光学力的微粒操控实践里，光镊等技术虽已相对成熟，但对于微纳结构在复杂环境下的动态行为及多粒子相互作用的理解仍存在明显不足。当多个微纳结构同时受光场作用时，其相互之间的光学、流体动力学及机械耦合作用极为复杂，现有的理论模型难以全面准确地描述和预测它们的运动轨迹与聚集行为。（见Introduction）

超薄微粒与光学超表面结合的研究方向在结构优化与实际应用的衔接方面面临挑战。如何进一步优化超表面结构以增强光力产生效率、降低能量损耗，并使其更好地适配不同应用场景的需求，仍是当前研究的关键瓶颈。例如，在生物物理应用中，需确保超微转子在生物介质中的稳定性与兼容性，同时实现对细胞等微观对象的精准、无损操控，但目前的结构设计在这些方面还远未达到理想状态。（见Discussion）

创新研究

研究团队成功设计并制备出无束缚旋转超微转子，有效解决了传统光驱动微纳结构在扭矩产生与调控方面的难题。通过将一对特殊设计的光学超光栅嵌入透明主体粒子中，构建了独特的超微转子结构。每个超微转子中的超光栅能够使光向相反方向发生大角度偏转，基于光的动量守恒原理产生光子反冲力，进而形成扭矩驱动转子旋转。从图1中可清晰看到超微转子的结构设计细节，包括超光栅的单元结构以及其在整体结构中的位置关系。这种创新设计显著提高了光扭矩的产生效率，使超微转子在较低光强下即可实现稳定快速的旋转，为微纳尺度的光驱动旋转提供了高效的解决方案，在光与物质相互作用的扭矩产生机制上取得了重要突破。（见Results）

图1（见原文Fig1）超微转子概念与设计。

研究人员通过结合先进的实验技术与模拟方法，深入探究了超微转子的多种物理特性及动态行为，填补了以往在相关领域的认知空白。利用视频显微镜精确追踪超微转子在不同偏振光照射下的位置和角度变化，系统分析其旋转动力学过程。从图2中可以直观地观察到左旋和右旋超微转子在不同偏振态光作用下的旋转方向、频率及角位移等动态信息，明确了光的偏振特性对超微转子旋转行为的影响规律。同时，通过计算流体动力学模拟和有限元分析，深入研究光热效应引发的对流对超微转子运动的作用机制。在图3中，展示了超微转子周围的流场分布及示踪粒子的运动轨迹，清晰地呈现了光热对流与超微转子旋转之间的相互关系，为全面理解超微转子在复杂环境中的行为提供了关键依据。（见 Results）

图2（见原文Fig2）单个超微转子的旋转动力学。

图3（见原文Fig3）光热效应和流场分布。

在研究超微转子的多粒子体系时，成功揭示了一种反常的横向光学梯度力，这是该研究的又一重要创新点。当两个或多个超微转子在激光束中共同被捕获时，发现它们会围绕光轴进行与自身旋转方向相反的集体轨道运动。通过细致的实验观察与理论分析，确定这种反常行为源于超微转子在光强梯度下产生的不平衡光子反冲力所导致的横向光学梯度力。在图4和图5中，分别展示了成对超微转子以及多个超微转子聚集时的这种独特的运动现象，如成对超微转子相互环绕且轨道方向与旋转方向相反，多个超微转子形成的聚集体也呈现类似的反向轨道运动。这一发现打破了以往对微纳转子相互作用的常规认知，为研究活性物质系统中粒子间的光学力主导的相互作用提供了新的视角和理论基础，在微纳光学领域的粒子相互作用机制研究方面取得了显著进展。（见Results）

图4（见原文Fig4）成对超微转子的轨道动力学。

图5（见原文Fig5）共旋转超微转子的动态聚集体。

总结与展望

该研究成功制备出无束缚旋转超微转子，在光驱动微纳结构领域取得关键创新成果。通过独特的光学超表面设计，超微转子中的一对超光栅能高效地将光转化为旋转扭矩。并且研究过程中对超微转子的光学、流体动力学和热学特性进行了全面深入的分析，成功揭示了横向光学梯度力这一重要现象。在多粒子体系中，超微转子受此力作用呈现出与传统认知相悖的集体轨道运动，这一发现深化了对微纳尺度下光力与粒子相互作用的理解，为微纳光学机械系统的研究开辟了新方向，在基础研究层面具有重要意义，有望引发相关领域对粒子间非传统的相互作用的进一步探索。（见Results）

展望未来，在超微转子的研究与应用方面有多个重要方向值得深入探索。在结构优化上，可进一步探寻更低对称性的超表面结构，如螺旋形光学天线阵列等，以提升扭矩生成效率，尽管目前面临全局优化的巨大挑战，但有望通过创新设计实现突破。在应用拓展方面，超微转子经生物功能化后可用于测量人工细胞膜及细胞的弹性和扭转特性，或作为微流控环境中的光学搅拌器和流变传感器，其在生物物理和微流控领域的应用潜力巨大。此外，基于超微转子的光学驱动微机械构建也具有可行性，通过将其固定在低摩擦轴上并实现齿轮机械连接，有望实现远程光控微机械系统，为微纳制造和自动化领域带来新的发展机遇。（见Discussion）（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01720-x