Ученые создали первый фотоэлектрический пинцет

Оптические пинцеты дают уникальные возможности для исследований в физике, биологии и медицине. Они позволяют манипулировать мельчайшими и очень нежными объектами, которые не стоит в полном смысле этого слова чем-то держать. 

Однако такие устройства требуют для работы лазерных лучей высокой интенсивности, сложных электродов и среды с низкой проводимостью. Эти ограничения препятствуют широкому применению оптических пинцетов. 

Команда ученых под руководством доктора Ду Сюэминя (Du Xuemin) из Шэньчжэньского института передовых технологий (SIAT) Китайской академии наук представила новый фотопироэлектрический пинцет (Photopyroelectric Tweezer, PPT), использующий свойства светового и электрического полей для манипуляции материей. Исследование опубликовано в журнале The Innovation. 

Разработанный учеными пинцет состоит из двух ключевых компонентов: источника лазерного излучения ближнего инфракрасного диапазона и системы, включающей жидкую среду и фотопироэлектрический субстрат. 

Фотопироэлектрический субстрат состоит из композитов с микрочастицами жидких металлов, галлия и индия. Исследователи встроили их в поли(винилиденфторид-ко-трифторэтилен) (LMPs/P(VDF-TrFE)), и покрыли слоем смазки с низким трением. Полимерный слой генерирует поверхностные заряды в реальном времени за счет фотопироэлектрического эффекта — явления возникновения электрического поля при облучении материала, а слой смазки снижает сопротивление движению и предотвращает экранирование зарядов проводящей средой. 

Продуманная конструкция фотоэлектрического пинцета эффективно и надежно создает поверхностные заряды при воздействии инфракрасного излучения низкой интенсивности, до 8,3 милливатта на квадратный миллиметр. С помощью такого излучения ученые добились от пинцета мощного движущее усилие, до 0,46 микроньютона, без необходимости в использовании лазерных лучей высокой интенсивности, сложных конструкций электродов и дополнительных источников питания. 

Новый пинцет позволяет дистанционно и точно манипулировать объектами из различных материалов (полимеров, неорганических веществ и металлов), состояний (пузырьки, жидкости и твердые тела) и геометрических форм (сферы, кубоиды и проволоки). Более того, он адаптируется к средам с широким диапазоном проводимостей и подходит для макроскопических платформ и для микроскопических систем. Созданная учеными система обеспечивает перемещения в областях от 5 микрометров до двух с половиной миллиметров, позволяет управлять твердыми объектами, каплями жидкостей и биологическими образцами, от отдельных клеток до их скоплений. 

Созданный учеными фотопироэлектрический пинцет открывает новые возможности в робототехнике, коллоидной химии, биологии и медицине, инженерии тканей и нейронауках.