近日，北京理工大學(xué)李鋒教授聯(lián)合華南理工大學(xué)李志遠(yuǎn)教授與中央民族大學(xué)郭紅蓮教授提出了一種利用光致Lamb波在空氣中對(duì)微米級(jí)顆粒進(jìn)行大通量操控的光聲圖案化方法。相關(guān)成果以“Programmable Photoacoustic Patterning of Microparticles in Air”為題發(fā)表于Nature Communications期刊?！肮忤嚒迸c“聲鑷”技術(shù)各有優(yōu)劣，光波的波長(zhǎng)短，這意味著使用光來(lái)操控物體會(huì)更精密，而且成熟的光場(chǎng)調(diào)控儀器使得“光鑷”技術(shù)擁有非常高的靈活性。但“光鑷”只能操控透明顆粒，并且有破壞細(xì)胞活性的風(fēng)險(xiǎn)。而“聲鑷”較“光鑷”具有更大的操控力，但現(xiàn)有的聲場(chǎng)調(diào)控技術(shù)還存在著精度與靈活性不可兼得的問(wèn)題。由上可以看出，“光鑷”與“聲鑷”技術(shù)是可以互補(bǔ)的，研究者因此提出融合“光鑷”與“聲鑷”技術(shù)的新手段。華南理工大學(xué)的張若欽博士為本文的第一作者，中央民族大學(xué)的趙希川碩士和北京理工大學(xué)的李金枝碩士為本文的共同第一作者；李鋒教授，李志遠(yuǎn)教授與郭紅蓮教授為共同通訊作者。

眼球通過(guò)光線(xiàn)看見(jiàn)多彩繽紛的世界；聽(tīng)小骨通過(guò)振動(dòng)聽(tīng)見(jiàn)充滿(mǎn)生機(jī)的聲音。我們已經(jīng)習(xí)慣將光和聲音當(dāng)作感知世界的媒介。所以可以理解德國(guó)物理學(xué)家克萊尼（Ernst Florens Friedrich Chladni）使用克萊尼板演示聲波對(duì)顆粒的排布、阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）使用激光光束實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒的捕獲帶給人們多大的震撼。光和聲音能夠操控物體本身就足夠有趣，這種不需要直接接觸物體的操控方法在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，吸引了一代又一代人對(duì)其進(jìn)行研究和發(fā)展。研究人員將這種利用光進(jìn)行操控的技術(shù)命名為“光鑷”，利用聲音進(jìn)行操控的技術(shù)命名為“聲鑷”，意為用光和聲音像鑷子一樣操控物體。“光鑷”以及“聲鑷”技術(shù)各有優(yōu)劣，如果能夠做到取長(zhǎng)補(bǔ)短，既如同“光鑷”一樣靈活，又有“聲鑷”的大操控力，將更有利于非接觸操控技術(shù)的發(fā)展。

研究者提出了空氣中可編程的光聲排列微粒方法（Programable photoacoustic patterning of microparticles in air, PPAP）。這種方法利用了光聲效應(yīng)和芯片尺度級(jí)別的彈性波，具有很高的靈活性、穩(wěn)定性以及分辨率，結(jié)合了全息“光鑷”技術(shù)以及“聲鑷”技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。該方法的靈活性來(lái)自于數(shù)字微鏡器件（Digital micromirrors device, DMD）。這種設(shè)備可以按照電腦上事先設(shè)定的目標(biāo)圖案來(lái)控制芯片上的微鏡陣列的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，從而將照射于微鏡陣列上的均勻脈沖激光光斑有區(qū)分地反射到多層膜上。這樣，照射到多層膜上的激光帶有預(yù)定的目標(biāo)圖案。被激光照亮的薄膜區(qū)域吸收激光的能量，溫度迅速升高，材料發(fā)生熱膨脹。熱膨脹帶來(lái)的應(yīng)變激發(fā)了多層膜上的彈性波。多層膜下方水層的衰減效果使得彈性波局域在激光照射區(qū)域。當(dāng)微粒位于薄膜上時(shí)，彈性波將動(dòng)能從薄膜傳遞給微粒。形變?cè)酱蟮膮^(qū)域，顆粒受到的機(jī)械力也越大。具有足夠動(dòng)能的微?？梢缘窒c薄膜之間的粘附力，從而被推向周?chē)?。因?yàn)檎駝?dòng)強(qiáng)烈的位置被局域在激光圖案附近，所以顆粒排布成的圖案與激光的圖案具有一致性。這一操作能將光學(xué)方法的高空間分辨率、高時(shí)間刷新頻率和聲學(xué)方法的高生物相容性、大操控力整合在一起。

研究者利用該方法產(chǎn)生特殊的激光圖案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大量粒子的同時(shí)操控。例如使用同心圓狀激光圖案對(duì)顆粒進(jìn)行束縛與輸運(yùn)。

圖1 可編程光聲排列顆粒系統(tǒng)的示意圖和彈性波的傳播。(a) 系統(tǒng)的示意圖。經(jīng)過(guò)DMD調(diào)制的脈沖激光束照射到金屬薄膜上引發(fā)局部光聲效應(yīng)。(b) 仿真計(jì)算的光聲效應(yīng)引起的彈性波傳播的時(shí)空?qǐng)D。(c) 實(shí)驗(yàn)測(cè)量的彈性波傳播的時(shí)空?qǐng)D。

技術(shù)突破與創(chuàng)新點(diǎn)

利用可編程光聲排列顆粒方法可以實(shí)現(xiàn)兩種不同類(lèi)型的圖案。一種是將線(xiàn)條部分的顆粒移走的陰文；一種是移走背景上的顆粒，保留線(xiàn)條上的顆粒的陽(yáng)文。其中陰文圖案的成型相對(duì)直接，多層膜上平鋪的顆粒會(huì)排列成與激光圖案相似的分布。圖2(a)是目標(biāo)圖案，圖2(b)顯示的是多層膜某個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的變形量。可以看出，激光圖案的每條曲線(xiàn)都在多層膜上造成對(duì)應(yīng)的凹陷和凸起。該方法可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)上萬(wàn)顆微米顆粒運(yùn)動(dòng)。脈沖光照射大約3.5秒鐘后，微米顆粒排布出清晰的豬八戒陰文圖案，文章展示了“安靜的豬八戒”（如圖2(c)所示），“微笑的豬八戒”，和“大笑的豬八戒”圖案（可見(jiàn)附錄動(dòng)畫(huà)）。通過(guò)編程控制，該方法也可以產(chǎn)生其它任意圖案。

圖2 陰文圖案的顆粒排布。(a) 豬八戒樣式的目標(biāo)圖像。(b) 激光脈沖照射2 μs后的多層膜振動(dòng)位移場(chǎng)。(c) 與“安靜的豬八戒”樣式圖案相對(duì)應(yīng)的圖案化顆粒的照片。

附錄動(dòng)畫(huà)：

想把顆粒排布成陽(yáng)文樣式的圖案則需要額外的步驟。以圖3(a)所示的木棉花圖案為例，我們需要去除掉綠色區(qū)域內(nèi)的顆粒，保留構(gòu)成花朵輪廓的白色區(qū)域的顆粒。如圖3(c-f)所示，顆粒如同水浪一般被彈性波帶到了不同的區(qū)域。大約兩分鐘后，剩下的顆粒構(gòu)成了如圖3(b)所示的木棉花陽(yáng)文圖案。

圖3 木棉花陽(yáng)文圖案化。(a) 木棉花目標(biāo)圖像。(b) 木棉花陽(yáng)文圖案化排布的最終結(jié)果。(c) 外部區(qū)域圖案化過(guò)程中的三幀。(d) 去除木棉花外部區(qū)域顆粒的過(guò)程。(e) 內(nèi)部區(qū)域圖案化過(guò)程中的三幀。(f) 木棉花內(nèi)部區(qū)域顆粒的圖案化進(jìn)程。

附錄動(dòng)畫(huà)：

“光聲鑷”平臺(tái)將“全息光鑷”的靈活性與“聲表面波聲鑷”的大驅(qū)動(dòng)力相結(jié)合，為高效、高分辨率粒子操縱提供了可能，其潛在應(yīng)用包括微粒組裝、微型機(jī)器人制造，同時(shí)也為微型3D打印提供了新途徑。