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背景介紹

借助光來(lái)操縱微納顆粒是一種非常方便快捷的手段，在原子物理，微納光學(xué)，納米組裝，生命科學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。這種操控方式主要依靠光學(xué)力或光熱效應(yīng)所產(chǎn)生的力，但是這種作用力非常小（~pN）且速度很慢，這就使得這種操控方式大都局限于液體或者半液體的環(huán)境中。另一種手段是利用脈沖激光輻照金屬薄膜，因庫(kù)倫爆炸濺射出納米顆粒，這樣就可以在空氣中實(shí)現(xiàn)納米顆粒的轉(zhuǎn)移。但是這種方法只適用于金屬的面外轉(zhuǎn)移，其普適性有很大的限制，而且需要使用精準(zhǔn)的納米定位儀和飛秒激光器，這些都加大了這種操控的技術(shù)成本。

成果簡(jiǎn)介

基于上述問(wèn)題，武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院丁濤教授課題組設(shè)計(jì)制備出了Au@C₆₀等離激元復(fù)合納米顆粒，在無(wú)液體環(huán)境中可以作為一個(gè)強(qiáng)大的納米引擎為納米以及微米尺寸物體的移動(dòng)提供動(dòng)力源泉。這種Au@C₆₀核殼結(jié)構(gòu)的納米顆粒在連續(xù)激光照射下產(chǎn)生高額的熱量，同時(shí)等離激元熱點(diǎn)區(qū)域的電場(chǎng)增強(qiáng)促進(jìn)了C₆₀的光化學(xué)氧化，這導(dǎo)致在極短時(shí)間內(nèi)在復(fù)合顆粒內(nèi)部產(chǎn)生較高壓強(qiáng)的CO₂氣體，最終導(dǎo)致Au核噴射出去，噴射距離可以達(dá)到幾百納米甚至幾微米，顆粒的噴射初速度約為300 m/s。為了展示這種納米爆炸的威力，他們將這些納米復(fù)合顆粒填充到緊密排列的陽(yáng)極氧化鋁孔道中，通過(guò)激光觸發(fā)，可以移動(dòng)陽(yáng)極氧化鋁模板上的SiO₂微球，單次輻照移動(dòng)可達(dá)2 ，通過(guò)多次輻照可以不斷驅(qū)動(dòng)SiO₂微球在固體表面上運(yùn)動(dòng)，且具有一定的方向可控性。相關(guān)工作以論文的形式公開(kāi)發(fā)表在國(guó)際著名期刊《ACS Nano》上（DOI: 10.1021/acsnano.2c02402），該研究還得到土木學(xué)院劉澤教授課題組支持和幫助。

圖文導(dǎo)讀

首先他們利用異相成核生長(zhǎng)的方式得到Au@C₆₀核殼納米顆粒，顆粒的尺寸為160±15 nm，如圖1A所示。使用641 nm波長(zhǎng)的連續(xù)激光照射這些Au@C₆₀納米顆粒僅需要1 mW的輻照功率在 1 s內(nèi)就可以將Au納米顆粒從C₆₀的包覆殼中噴射出去（圖1B,C）， 噴射距離隨著輻照功率的增加而增大（圖1D）。顯然，Au納米顆粒的噴射速度非常快，根據(jù)推測(cè)，這是由于在Au@C₆₀納米顆粒的內(nèi)部短時(shí)間產(chǎn)生了大量的氣體，同時(shí)顆粒內(nèi)部溫度也快速升高，使得顆粒內(nèi)部在短時(shí)間內(nèi)積聚了巨大的壓強(qiáng)。

圖1.（A）Au@C₆₀核殼納米顆粒的SEM圖，插圖為其尺寸統(tǒng)計(jì)分布圖。（B）使用641 nm波長(zhǎng)連續(xù)激光照射Au@C₆₀納米顆粒的示意圖。（C）641 nm連續(xù)激光照射1 s前后納米顆粒的散射光譜變化，插圖為照射前后納米顆粒對(duì)應(yīng)的SEM圖像。（D）金納米顆粒噴射距離與輻照功率的依賴關(guān)系圖。

為證實(shí)該氧化過(guò)程在此噴射過(guò)程中的關(guān)鍵作用，他們將Au@C₆₀納米顆粒通過(guò)旋涂的方式包埋在二氧化鈦薄膜中。在此情況下，由于氧氣被隔絕，光氧化的效率變得非常低，C₆₀殼層在光照下發(fā)生碳化，拉曼峰明顯展寬（圖2A）。于是Au納米顆粒在照射之后沒(méi)有發(fā)生噴射，而是在表面張力的作用下發(fā)生了一定的位移，如圖2B所示。

圖2.（A）Au@C₆₀納米顆粒激光照射前后的拉曼光譜變化。（B）二氧化鈦薄膜里的Au@C₆₀納米顆粒在2 mW功率的641 nm激光照射前后SEM圖。

他們進(jìn)一步將這種Au@C₆₀核殼納米顆粒通過(guò)抽濾的方法載入到陽(yáng)極氧化鋁（AAO）模板的孔隙中，隨后將微米級(jí)的SiO₂小球滴涂至AAO模板表面作為被搬運(yùn)物。最后，使用激光照射SiO₂小球下的Au@C₆₀納米顆粒使其噴射出Au核以推動(dòng)SiO₂小球運(yùn)動(dòng)（圖3A）。SiO₂小球可以被推動(dòng)約為2 μm的距離，同時(shí)在原位留下一個(gè)剩余的C₆₀殼層（如圖3D）。

圖3. （A）激光照射Au@C₆₀納米顆粒驅(qū)動(dòng)SiO₂微球運(yùn)動(dòng)示意圖。（B）Au@C₆₀納米顆粒填充至AAO模板孔隙。（C）SiO₂小球滴涂至AAO模板之上。（D）激光觸發(fā)Au@C₆₀納米顆粒噴射驅(qū)動(dòng)SiO₂微球移動(dòng)。

因?yàn)檎麄€(gè)AAO模板的孔道里都填滿了Au@C₆₀納米顆粒，所以可以通過(guò)多次輻照連續(xù)驅(qū)動(dòng)SiO₂小球移動(dòng)，如圖4所示。

圖4. 光學(xué)觸發(fā)Au@C₆₀納米炸藥長(zhǎng)程驅(qū)動(dòng)二氧化硅微球在AAO表面運(yùn)動(dòng)。

這種光學(xué)可觸發(fā)的納米“炸藥”可以作為納米機(jī)器的動(dòng)力源泉，實(shí)現(xiàn)不同類型的納米驅(qū)動(dòng)，對(duì)納米力學(xué)以及MEMS等領(lǐng)域于具有重要借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

作者簡(jiǎn)介

丁濤博士2011年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所光化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，物理化學(xué)專業(yè)。隨后在2011.9.-2013.10和2013.11.-2017.8.分別于新加坡南洋理工大學(xué)和英國(guó)劍橋大學(xué)從事博士后科學(xué)研究。2017年入選國(guó)家高層次海外青年人才項(xiàng)目，入職于武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，聘為教授博導(dǎo)。丁濤博士長(zhǎng)期從事納米光子材料與技術(shù)方面的研究，截止目前，以第一或通訊作者在Sci. Adv. PNAS, Adv. Mater., JACS, ACS Nano等國(guó)際一流期刊發(fā)表論文70余篇。他在等離激元誘導(dǎo)材料精確可控生長(zhǎng)、等離激元調(diào)控、光學(xué)驅(qū)動(dòng)等方面取得了一系列成果，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了基于光學(xué)手段調(diào)控等離激元的新方法，著眼于通過(guò)納米光場(chǎng)來(lái)調(diào)控物質(zhì)生長(zhǎng)和組裝的新思路。

課題組詳情請(qǐng)參見(jiàn)：http://202.114.78.174/pmt/