液液相分離的發(fā)生源于分子的自組裝過程，其液滴的成核位置和生長狀態(tài)隨機且難以控制。為了實現(xiàn)精準、功能化的微液滴控制，來自華南理工大學的蔣凌翔教授和暨南大學的李宇超副教授提出了光-熱-力多物理場耦合的高時空精度相分離微液滴操控方法，使光學操控技術與相分離微液滴碰撞出新的火花。

光熱相分離微液滴實現(xiàn)的液體動畫

液液相分離所構成的微液滴往往具有單個分子結構所不具備的特殊物理、化學性質(zhì)和生物功能。如在細胞中由生物分子聚集形成的相分離微液滴，作為無膜細胞器參與到重要的生理活動中，如細胞微結構組裝、轉錄調(diào)控和信號傳導等，其狀態(tài)也與許多疾病（如運動神經(jīng)元病、阿爾茨海默癥等）的發(fā)展有著密不可分的聯(lián)系。同時，相分離微液滴的自組裝特性和富集能力可輔助進行物質(zhì)提純和藥物研發(fā)。由此，液液相分離微液滴在生物醫(yī)學、合成化學等研究領域受到廣泛的研究和應用。

然而，受到成核過程隨機和分子濃度波動等因素的影響，液液相分離微液滴的生成位置、時間、形狀和尺寸均難以控制，這使得精準、功能化的相分離微液滴操控成為挑戰(zhàn)。

圖1 升高溫度誘導相分離溶液體系的示意圖

針對上述問題，蔣凌翔教授和李宇超副教授等人提出一種基于光-熱-力多物理場耦合的高時空精度相分離微液滴操控新策略。研究團隊選取具有升高溫度誘導相分離性質(zhì)的材料體系（圖1）作為實驗溶液。將聚焦的近紅外激光光束照射在金膜納米薄片表面，利用金膜的高效光熱效應將光能快速轉化為熱能，使得在固/液界面快速建立穩(wěn)定的空間局域溫度場，從而觸發(fā)相變臨界溫度的等溫面內(nèi)的溶液成核，生成光熱相分離微液滴（圖2）。并且，當激光關閉，熱場消散，微液滴也隨之溶解消失。微液滴的生成/消失與光熱場狀態(tài)同步變化，使其展現(xiàn)出高時空響應能力。

圖2 光熱相分離微液滴產(chǎn)生的原理示意圖

基于這一原理，研究團隊隨后將分時復用的多勢阱光鑷技術與金屬納米薄膜的高效光熱效應相結合，調(diào)控激光光阱的排布和功率，將光場轉化為精準的熱場，使微液滴隨熱場分布構成任意形狀，實現(xiàn)了光熱相分離微液滴的液體圖案化。圖?3展示了微液滴所構成的點、線、面等基礎圖案，以及構成復雜的“熊貓抱竹”圖案，微液滴所呈現(xiàn)的液體繪畫圖案細節(jié)完整、線條流暢，高度還原了原始圖案樣本的結構。

圖3 光熱相分離微液滴實現(xiàn)的液體圖案

隨后，研究團隊利用微液滴受到的熱毛細力與自身的動態(tài)重塑特性，驅(qū)動微液滴隨激光的掃描路徑進行同步變化，實現(xiàn)了微液滴的定位/移動、融合/分裂和動態(tài)重構等可編程化的精準操控。圖4展示了“化繭成蝶”的連貫相分離液體動畫，微液滴的形態(tài)由毛毛蟲變換為蟲繭和蝴蝶的完整過程。

圖4光熱相分離微液滴實現(xiàn)的液體動畫

在此基礎上，研究團隊進一步探索了可編程微液滴的多種應用功能。實現(xiàn)了微液滴在復雜信息編碼中的應用，通過將音頻信息轉化為微液滴運動行為，呈現(xiàn)音樂可視化的效果。并實現(xiàn)了微液滴對蛋白分子、染料分子和納米顆粒等多種樣品的定點富集、轉運和釋放。以及利用微液滴構造了時空可控的仿生微反應器，增強了級聯(lián)酶促反應的發(fā)生。

該研究工作中提出的光-熱-力多物理場耦合的微液滴操控技術，不僅實現(xiàn)了多功能相分離微液滴的構造，也為液態(tài)材料的操控提供了一種高時空精度的新方法，在液滴微流控、仿生液態(tài)材料、光驅(qū)動微納機器人等領域具有重要的應用前景。




審核編輯：劉清