科學家在實驗室發現某種現象後，通常會嘗試用教科書中的某種定義來解釋相關現象。但是，如果教科書沒辦法解釋該怎麼辦呢？
11 年前，彼時還在浙江大學讀博的谷付星發現了一種奇特的現象，在微光纖上的金納米線竟然朝著相對光傳播的方向「倒著走」。並且，這種現象用常規的雷射捕獲原理並不能解釋清楚。
圖丨谷付星（來源：谷付星）
2013 入職上海理工大學後，谷付星教授與團隊繼續深入探索，終於在 10 年後以光熱衝擊效應為基礎，開發了雷射捕獲技術稱之為「光熱沖鑷（Photothermal-Shock Tweezers）」，實現了固體介面上對微納物體的捕獲及任意操控。
由於在真空和液體中的廣泛應用，光學捕獲物體的雷射冷卻和捕陷原子的技術和光學鑷子分別在 1997 及 2018 年獲得諾貝爾物理獎。但是，光學捕獲物體在固體接觸表面上仍是「空白」。
谷付星表示：「光熱沖鑷技術的出現填補了該領域的空白，讓雷射在『海陸空三界（真空/氣體，液體及固體）』的微納環境中，能夠全部實現捕獲和操控任意物體。」
研究人員探索了在納米機器人領域的應用，並實現世界首個像傳統機器人那樣工作的納米清潔機器人。與此同時，他們也研製了結構更複雜、功能更多樣的 HOUbot 機器人，該機器人是世界首個利用傳統機械手段執行具體任務的納米機器人。
圖丨相關論文（來源：Nature Communications）
近日，相關論文以《通過光熱衝擊在干固體接觸條件下產生強大推力的自主納米機器人》（Autonomous nanorobots with powerful thrust under dry solid-contact conditions by photothermal shock）為題發表在 Nature Communications 上[1]。
上海理工大學博士研究生顧兆麒、朱潤琳和沈天賜為論文共同第一作者，谷付星教授為論文通訊作者。
圖丨從左至右分別為：上海理工大學博士研究生沈天賜、顧兆麒和朱潤琳（來源：上海理工大學）
2012 年 5 月 4 日，谷付星第一次發現金屬納米線朝著相對光傳播的方向「倒著走」的現象。在經過研究近 10 年的海量實驗數據後，終於確定了雷射的捕獲方式和機理。
「我還記得在 2022 年疫情封控期間，我帶著被子住到實驗室每天做實驗，那段時間研究進展非常快。」谷付星說。
2021 年，該課題組在 Nature Communications 發表過一篇關於微光纖上驅動金屬納米線的論文，為本次研究奠定了基礎，但是離捕獲原理還有「一步之遙」。
圖丨通過衝量-動量定理原理實現強大力輸出的示意圖（來源：Nature Communications）
實際上，光被物體吸收的一瞬間，納米線的熱膨脹和移動就已經完成。這種瞬態移動的現象用傳統教科書中的振動力學來解釋並不可行。
在本次研究中，結合熱彈性力學、動力學、摩擦學，研究人員提出一種新概念，並確定了奇特現象背後的物理是瞬態熱彈性動力學。並且，首次在國際上推導、歸納出瞬態熱梯度力的相關方程式。「它的適用條件是，光脈衝的持續周期遠小於它振動的周期。」谷付星說。
圖丨光熱沖鑷操控納米線（來源：Nature Communications）
傳統機器人基本被限制在幾百微米尺度，與其配套的電機和能源驅動系統往更小型化發展也充滿挑戰。光熱沖鑷技術的出現，也有望解決納米機器人領域中的磨損、吸附等問題，因此增加了更廣泛的應用場景。
具體來說，光熱沖鑷技術能夠用於實驗室操控微納物體。與傳統的手工操控相比，該技術會極大地提升效率。另一方面，光熱沖鑷技術相當於提供了一種小型化的「馬達」，可節省質量體系成本，在航空航天、無人機、潛水艇等方面都具有應用前景。
谷付星表示：「未來我們也計劃與光纖技術結合，探索微創手術的應用方向。讓內窺鏡更小、更細，從而能夠直接伸入到血管、肺、大腦等人體器官。」
從獲得諾貝爾獎的光學捕獲技術來看，從技術被開發到實際應用經歷了約十年時間。因此，光熱沖鑷技術到實際應用還需要時間和技術的不斷發展。
圖丨納米機器人 HOUbot 的相關原理示意圖（來源：Nature Communications）
目前，控制納米物體開環在 1 納米左右，反饋控制閉環在約 80 納米。下一步，該團隊計劃通過人工智慧和機器視覺技術，繼續提升控制精度和靈敏度。
另外，研究人員還打算製備「納米操作手」，並正在探索通過空間光調至器實現多手協同操控的效果。據悉，該技術已申請三項國內專利，相關國際專利正在申請中。
參考資料：
1.Gu, Z., Zhu, R., Shen, T. et al. Autonomous nanorobots with powerful thrust under dry solid-contact conditions by photothermal shock. Nature Communications 14, 7663 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-43433-6
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