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激光操纵纳米粒子创建新材料

导读: 科学家采用采用激光束使一个简单的光学系统能够聚集二维结构的纳米粒子,可导致形成应用于传感器和光子器件的新材料。

  ——科学家采用采用激光束使一个简单的光学系统能够聚集二维结构的纳米粒子,可导致形成应用于传感器和光子器件的新材料。而且提供了一段视频资料,视频显示直径520 nm 的聚苯乙烯粒子组装到一个正方形的硅光子晶体上的小洞里。

  自20世纪70年代以来,物理学家们用激光光束捕获和研究物体,从细胞小到单个原子。最近,研究人员已经开发出束激光系统(multilaser systems),可以同时操控许多粒子。但是这些系统都是又大又复杂,所以其应用受到限制。

  然而,现在科学家已经开发出一个简单的系统,使用一个单一的激光束在同一时间直接操控数以百计的粒子,使其组装在二维结构之中。相关研究结果已经在《纳米快报》杂志发表(Nano Lett., DOI:10.1021/nl400918x)。这种紧凑的光学捕获可能最终帮助研究人员制造用于传感器、光学设备以及化学过滤器的新型材料。在光学捕获中,聚光束对于微粒施加一种作用力,使其朝着聚光束最强的位置移动。当前的系统可以同时操控许多粒子,但是它是通过使用配置许多透镜头的空间占用设置(space-hogging setups)形成复合光场。

  美国南加州大学(University of Southern California)的电子工程师米切尔·波维内丽(Michelle Povinelli)欲开发一种形成这类复合光场的简单系统。她构想了一个足够小,适合一个芯片的简单系统。这样,研究人员可以很容易将捕获集成到像光子电路或化学传感器这样的设备之中,使他们更便于应用。米切尔·波维内丽的光学捕获使用一种称为光子晶体,有花纹图案的硅板。她和她的合作者对其蚀刻了许多很整齐的小孔,直径为300 nm,小孔之间间隔的860 nm。他们将制作好的硅板沉浸在一种悬浮着直径为520 nm 的聚苯乙烯颗粒的环境下,用激光从其下面进行照射。就可以看到悬浮在硅晶板上方的颗粒,然后开始移动而进入小孔,形成了一个边长为13μm的正方形晶格(见图1)。图1中灰色具有小孔的是硅板,红色的为聚焦激光光束,而蓝色的为纳米粒子,受到激光束的作用,纳米粒子进入小孔形成规整的二维形状。

激光作用图示

图1 激光作用图示

  硅板上的小孔与激光束相互作用在硅板的上方产生一种强光场,光场与悬浮的纳米微粒作用,导致微粒进入小孔。用当前的设备,粒子的组装时间约需要花费一个小时,因为他们必须漂移到距离硅板表面非常近的位置。米切尔·波维内丽说,纳米粒子一旦移动到小孔上方,会受到小孔的吸引而入住其中,但是首先粒子必须通过漫步而移动至适当的位置。米切尔·波维内丽打算通过在硅板上方聚集更多的纳米微粒来加快其装配过程,另外激光捕获也应该适用于其他类型的材料,如半导体和金属等。

  美国伊利诺伊大学香槟分校( University of Illinois, Urbana-Champaign)的材料科学家, 保罗·布劳恩(Paul V. Braun)说,与其他激光捕获相比,南加州大学的设备简单,而且易于与其他设备整合。但现有系统可以不同的配置容纳粒子,而光子晶体需要其按照孔的模式来定位。所以这些设备很容易制作,但是不如目前的激光捕获那么灵活。米切尔·波维内丽说她现在正在进行规划,当改变激光波长时,如何设计光子晶体,可以在不同的配置之间来掌控纳米粒子。

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