Некоторые объекты слишком нежны, чтобы передвигать их механическими манипуляторами и мощными оптическими полями. Физики создали фотоэлектрический пинцет, чтобы решить эту проблему.
(A) Схематическая иллюстрация устройства PPT, состоящего из жидкой среды, слоя смазки и пленки, зажатой между верхним и нижним слоями из полиметилметакрилата. (B) Фотография платформы PPT, включающей источник NIR-излучения и портативное устройство PPT. Масштаб: 10 мм. (C) Схематическая иллюстрация платформы PPT для манипуляции объектами на основе фотопироэлектрического эффекта. (D) Выходное напряжение устройства PPT при воздействии NIR-излучения. (E) Изменение напряжения возрастает с 0,26 до 3,34 ватта при увеличении плотности мощности лазера от 2 до 111 милливатт на квадратный миллиметр. (F) Плотность заряда, индуцированного светом в PPT, меняется незначительно при увеличении толщины слоя силиконового масла. (G) Манипуляция пятимикрометровой частицей диоксида кремния, каплей воды объемом один пиколитр и каплей воды объемом 10 микролитров в силиконовом масле. (H) Манипуляция живой яйцеклеткой японской медаки диаметром один миллиметр и временная траектория одномиллиметрового шарика из полиоксиметилена в проводящей среде воды. / © The Innovation (2024). DOI: 10.1016/j.xinn.2024.100742
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.
