近日，美国化学会期刊《ACS Nano》报道了丁涛课题组在光学微纳驱动方面的研究进展，物理科学与技术学院2022级硕士毕业生王煦杰为第一作者，丁涛教授为通讯作者，相关工作还得到土木工程学院刘泽教授课题组的支持和帮助。
图1 光学触发纳米“炸药”视觉效果图
纳米机器是一项面向未来的技术，它在医疗检测、环境治理、纳米操控等领域具有重要应用前景，但是维持其正常运行的能量供给一直是阻碍该领域发展的难题之一。传统的能量供给手段如电池在微纳尺度上往往无法兼容，其他物理手段，如磁场、电场、光场、温度场虽然能够有效在微纳尺度上进行操控，但是其响应速度往往较慢，且能量效率较低。这对于开发高效的纳米机械系统是不利的。
武汉大学物理科学与技术学院丁涛课题组在光学诱导微纳驱动方面做出了大量有益尝试。他们与早期合作者开发了金属/温度响应聚合物复合体系（PNAS 2016, 113, 5503），利用金属颗粒间强范德华势能与聚合物弹性势能之间的相互转换，在纳米尺度上实现了较高力的输出（~nN）和较快的响应速度(μs)。在此基础上，他们借助化学震荡体系，进一步提高了该系统的能量转化效率（~34%）（ACS App. Mater. Inter. 2019, 11, 42580）。结合纳米颗粒表面亲疏水特性的可逆变化，他们将这类纳米运输机器用于有机污染物的高效萃取（J. Colloid Interf. Sci. 2021, 584, 789）。
最近，丁涛课题组开发了一类基于等离激元物理化学作用的纳米弹射体系。他们首先制备了金@C60的核壳结构的纳米颗粒，利用激发的等离激元光热效应以及近场增强光化学作用，使得C60在空气中迅速氧化成气态的CO2，由于局部的瞬时高温，气态的CO2迅速产生了较高的内部压力，从而将金颗粒喷射出去，整个过程在大约200 μs内完成（图2）。计算表明该喷射作用力可达μN量级，比之前报道的纳米驱动装置输出力大了三个数量级。金颗粒喷射出去的瞬时初速度可达300 m/s，与子弹的速度相当，因此，可以形象地认为该体系是一种纳米尺度上可光触发的等离激元“炸药”。
图2 光学触发等离激元纳米颗粒喷射过程示意图
他们进一步展示了利用该纳米“炸药”对微米尺寸的物体在固体表面上进行连续地弹射搬运，其运动距离和方向可以通过激光照射功率和位点进行粗略调节（图3）。除了可以驱动表面颗粒的运动外，这种纳米“炸药”有望作为一种纳米动力源泉，驱动其它类型纳米机械的运转。
图3 在等离激元纳米“炸药”驱动下实现SiO2微球的光学触发移动（激光已被滤除）
相关工作被美国纳米科学与技术网（NanoWerk）以Spotlights的形式报道。该工作得到该研究受到国家重点研发计划(2020YFA0211300)和国家自然科学基金(NSFC 11974265, 21703160)的资助，武汉大学纳米中心和电镜中心对该研究提供支撑服务。
论文信息：
Optically Triggered Nanoscale Plasmonic Dynamite
Xujie Wang, Chi Zhang, Fangqi Chen, Junxiang Xiang, Shuangshuang Wang, Ze Liu, and Tao Ding*
ACS Nano 2022, ASAP DOI: 10.1021/acsnano.2c02402
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c02402
微信公众号报道：
https://www.x-mol.com/news/778738
https://mp.weixin.qq.com/s/FuwPPL9KLT7o_5lLbdJwOA
https://mp.weixin.qq.com/s/cdX9jwYYIaELQC3KzlgiXA
NanoWerk Spotlights:
https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=61228.php
