近日，同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院傳來(lái)喜訊，王占山教授、程鑫彬教授和施宇智教授團(tuán)隊(duì)在納米顆粒分選領(lǐng)域取得了重大突破。他們成功研發(fā)出一種基于環(huán)形極子響應(yīng)的介電超表面近場(chǎng)光鑷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)納米顆粒的超高精度分選。相關(guān)研究成果已在Small Science期刊上發(fā)表，并榮登封面文章。

納米顆粒在物理、生物、醫(yī)學(xué)、催化和化妝品等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，其尺寸對(duì)物理和化學(xué)性質(zhì)有著顯著影響。然而，現(xiàn)有的納米顆粒分選手段在介電納米顆粒的分選中，尺寸和分辨率極限分別約為20納米和10納米，進(jìn)一步突破這一極限面臨巨大挑戰(zhàn)。

同濟(jì)大學(xué)團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的介電超表面近場(chǎng)光鑷，巧妙地利用了超表面的獨(dú)特性質(zhì)。超表面是一種人工設(shè)計(jì)的納米結(jié)構(gòu)，通過(guò)精確控制其幾何形狀和電磁學(xué)特性，可以對(duì)光的傳播和轉(zhuǎn)換進(jìn)行高度定制化的調(diào)控。當(dāng)激光垂直照射在對(duì)稱(chēng)性破缺的介電超表面時(shí)，會(huì)激發(fā)出環(huán)形共振響應(yīng)，電場(chǎng)被局限在數(shù)十納米的熱點(diǎn)區(qū)域，從而突破衍射光學(xué)極限，實(shí)現(xiàn)對(duì)極小尺寸顆粒的精準(zhǔn)捕獲和分選。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該近場(chǎng)光鑷在波長(zhǎng)為1550納米時(shí)，能夠形成四個(gè)約十納米左右的局域熱點(diǎn)。在這些熱點(diǎn)中，納米顆粒受到光場(chǎng)梯度主導(dǎo)的梯度力作用，傾向于被捕獲。通過(guò)調(diào)整激光功率，該光鑷能夠捕獲10納米的聚苯乙烯顆粒，并釋放9納米的顆粒，實(shí)現(xiàn)亞10納米聚苯乙烯顆粒的1納米分選精度。同時(shí)，它還能以3納米的精度分離亞20納米的外泌體。

對(duì)于金屬顆粒，該光鑷同樣表現(xiàn)出獨(dú)特的性能。在特定的光場(chǎng)中，金屬顆粒不僅受到梯度力作用，還會(huì)受到電磁能流主導(dǎo)的輻射力。這種輻射力會(huì)將金屬顆粒從熱點(diǎn)中推開(kāi)，破壞穩(wěn)定的捕獲狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)中等尺寸金屬顆粒的準(zhǔn)確挑選。例如，在混合有30納米、50納米和70納米金顆粒的樣品中，該光鑷能夠僅捕獲50納米的金顆粒。

此外，在電偶極子模式下，該光鑷還能實(shí)現(xiàn)金顆粒的快速分選和運(yùn)輸。在較大的流速下，受到更大光力的金顆粒被限制在光槽內(nèi)，而較小顆粒則保持與流速相同的方向運(yùn)動(dòng)。這一特性為金顆粒的高效分選和運(yùn)輸提供了新途徑。

該研究成果對(duì)于分選細(xì)小生物顆粒如細(xì)菌、病毒、外泌體等具有重要意義，有望推動(dòng)疾病診斷、藥物開(kāi)發(fā)和精準(zhǔn)醫(yī)療等領(lǐng)域的發(fā)展。同濟(jì)大學(xué)博士研究生羅洪為論文的第一作者，施宇智教授、程鑫彬教授以及中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研究員方向?yàn)楣餐ㄓ嵶髡?。其他具有突出貢獻(xiàn)的作者還包括王占山教授、博士研究生李程峰、中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研究員戴新華、副研究員茹寧、上海交通大學(xué)助理研究員尤敏敏、同濟(jì)大學(xué)博士后研究人員何濤以及臺(tái)灣成功大學(xué)副教授吳品頡等。

此次突破不僅展示了同濟(jì)大學(xué)在納米技術(shù)和光學(xué)領(lǐng)域的卓越實(shí)力，也為全球納米顆粒分選技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了新的道路。