“博士期间我主要致力于研发新型光镊技术，以改善现有光镊技术（相关学者曾获 2018 年诺贝尔物理学奖）的不足。我的主要成果有：研发低温光镊技术以实现无创光学操控；发明固相光学操控技术，将光镊技术从流体环境拓展到固体界面等。”近日，正在加州大学伯克利分校机械工程系做博后的李金刚表示。
图 | 李金刚（来源：李金刚）
其 2017 年本科毕业于中国科学技术大学少年班，2021 年博士毕业于美国德克萨斯大学奥斯汀分校，师从郑跃兵教授[5]。完成博后之后，他考虑回国内高校工作。
而其所研发的低温光镊技术和固相光学操控技术，可用于生命科学研究，比如细胞和生物大分子的无创操控、以及对外界环境的响应，也可用于光学与材料学中的微纳结构的制备、和探究微纳材料之间的相互作用。
同时，还有望用于监测大气环境，制备纳米光驱无人机、以用于微型侦察和测量。此外，纳米光学引擎可将光能转化为机械能，从而给未来的纳米器件注入新活力。
研发低温光镊技术，解决光镊对纳米颗粒和生物物质的潜在损害
光镊的发明，为材料科学、生物学和医学工程的基础和应用研究，提供了革命性机会。然而，在应用光镊的同时，也会对受控物体（如纳米粒子、细胞和生物分子等）造成潜在的光损伤和热损伤。
这是因为，传统光镊是通过高度聚焦激光束产生的力，来捕获和操控微米或纳米级的物体。聚焦后的激光光束，在焦点即光束中心存在非常强的光场梯度，形成的光场梯度力可将颗粒捕获至光束的中心。
由于光镊依赖于高度聚焦光束，且光场梯度力和被捕获颗粒的体积成正比，因此需要很高的激光强度来实现对微纳颗粒的捕获，并且颗粒越小，所需的光强越大。
当受控微粒被光镊捕获时，高强度激光不仅会对物体造成光损伤，同时由于大部分物体会吸收部分激光能量、并通过光热转化导致温度升高，所以通常会伴随严重的热损伤。
基于此，李金刚所在团队研发出一种新型光镊，并将其命名为低温光镊。其利用光学制冷和热泳现象，在激光产生的冷区域捕获粒子和分子。
（来源：Science Advances）
据介绍，低温光镊技术是基于大量研究基础上的创新。如前所述，基于高强度激光的传统光镊，会对受控物体带来光损伤和热损伤，一个直接的解决思路是降低所需要的激光强度。
因此，学界研发了基于表面等离激元、以及光电或光热耦合的新型光镊技术。这些技术能将所需激光强度减小 2-3 个数量级，然而依然无法避免对于受控物体的热损伤。
当时，李金刚正在郑跃兵教授小组读博。基于上述背景，该团队利用热泳现象，实现了在低强度激光下对微粒的光热操控。
为了同时避免基于激光加热带来的热损伤，李金刚和所在团队用激光冷却替代激光加热来产生一个温度场，实现了新型低温热泳光镊。基本思路是利用 Yb 掺杂的衬底实现局域激光冷却，形成一个以激光中心为低温的温度场。
在这个温度场中，纳米颗粒和生物分子由于热泳作用，会由高温往低温运动，从而被捕获至低温的激光中心。这种温度场内的运动是一种普适现象，可用于捕获诸多微纳物体。
由于热泳光镊不需要高度聚焦光束，因此可减少光损伤；同时，激光冷却可以避免热损伤，所以低温光镊可对纳米颗粒和生物物体，实现无创捕获和操控。
他们在论文里写道：“这种新颖的无创光镊技术，将为纳米材料和生物分子的光学控制带来新的可能性，并将用于纳米技术、光子学和生命科学等重要领域。”
相关论文以《低温光镊》（Opto-refrigerative tweezers）为题，发表在Science Advances上，李金刚为第一作者，郑跃兵担任通讯作者 [1]。
（来源：Science Advances）
发明固相光学操控技术，拓展光镊技术的应用环境
据悉，传统光镊技术一般只能用于流体或真空中。在固体的表面，物体与表面存在很强的范德瓦尔斯摩擦力，比光力高出好几个数量级，因此很难实现在固体表面的光学操控。
为解决这一挑战，李金刚及合作者引入“光热门”（optothermal gate）的概念，来调控物体与衬底的界面相互作用，并研发新型光热门控光力操控技术（OPN，optothermally-gated photon nudging），来实现对物体在固体表面的光学操控。
相关论文以《在固体表面的光热门控光力操控技术》（Optical nanomanipulation on solid substrates via optothermally-gated photon nudging）为题，发表在Nature Communications上 [2]。
（来源：Nature Communications）
据介绍，将胶体粒子构建为功能性的纳米结构、材料和器件，是一个很有前景、但又颇具挑战性的方向。随着光镊技术的发展，研究人员可以从水溶液中捕获、操纵、组装胶体粒子，并将其制备成所需要的结构。
然而，这些在液体环境中利用光学技术操控和组装胶体粒子，通常会面临毛细作用力和布朗运动的影响，同时，一旦将胶体粒子通过范德华耳斯力固定在衬底，想要实现微纳结构的可重构组装非常困难。
为此，李金刚所在团队开发出上述固相“光热门”控光力操控技术（即 OPN），可在固体衬底上、也就是无液体环境里，对各种胶体粒子进行精确操控和组装。
（来源：Nature Communications）
具体而言，“光热门”是一层具有光热相应的固体薄膜，位于目标物体和固体衬底之间。其在常温下呈现固体，而在光热作用下会因相变成为准液体，这时即可大大减小目标物体、与固体衬底之间的摩擦力，进而实现利用光学力去操控物体。
另据悉，OPN 技术利用光学散射力来操纵固体衬底上的胶体粒子，故可用于不同材料比如金和银等金属、二氧化钛等氧化物、以及硅等。
其颗粒尺寸可从 40 纳米到几微米。由于没有液体的影响，所以在操控纳米颗粒时不会受到布朗运动的影响，从而能实现纳米级的操控精度，位置误差小于 20 纳米。
同时，由于是直接在固体表面对颗粒进行操控，因而能轻易实现对纳米颗粒和纳米结构的可重构组装。通过结合原位光谱仪器，这种固相光学操控技术，将在纳米制造、纳米光子学、纳米电子学和胶体科学中得到各种应用。
（来源：Nature Communications）
在固体表面实现光学可重构微纳组装和光致纳米引擎
在利用 OPN 技术对纳米颗粒进行精确操控的基础上，李金刚和所在团队又利用该技术，将一个硅纳米颗粒和一根硅纳米线，组装成可重构手性超材料。
具体而言，通过把硅纳米颗粒移动到硅纳米线旁，可得到上述手性超材料。然后，通过控制硅纳米颗粒与硅纳米线的相对位置，即可精确调控材料的手性方向和开关。例如，该团队将硅颗粒从硅纳米线的一端移动到另一端，成功实现了在该结构中的手性反转。
（来源：Nano Letters）
这类可重构的手性超材料，在纳米光学领域有着重要应用，比如可用于调圆偏振光源、生物分子检测、以及光学计算与通讯等。
这一研究工作，后被整理成论文发在Nano Letters上，题为《全固态介电可重构手性光学纳米结构》（Tunable Chiral Optics in All-Solid-Phase Reconfigurable Dielectric Nanostructures）[3]。
除了利用激光在固体表面推动纳米颗粒外，他还利用激光去旋转纳米颗粒，即纳米马达。该纳米马达可将光子能量转化为机械能，并可以作为无燃料光学纳米引擎为纳米器件供能。
马达即发动机，能将不同形式的能量转化为机械能做功，对人类社会的发展具有深远的意义。近年来，微纳马达的研究大大促进了药物传递和微机器人在生物医学工程和纳米技术中的应用。
然而，由于微纳米马达在液体环境中的强布朗运动，马达向纳米尺度的进一步微型化仍然具有挑战性。尤其是在 100 nm 以下的尺寸，液体环境中随机布朗运动太强，使得精确控制纳米马达的运动非常困难。
基于此，李金刚等人借鉴前期 OPN 技术的经验，成功避免布朗运动，并开发了在固体表面运行的光热毛细纳米马达（OTNM，optothermocapillary nanomotors）。
相关论文题为《固体表面上的光热毛细纳米马达》（Opto-Thermocapillary Nanomotors on Solid Substrates），发表于ACS Nano[4]。
（来源：ACS Nano）
具体来说，他通过控制纳米颗粒与衬底的相互作用，以及光学力和不对称金颗粒形状造成的热毛细作用力的耦合，实现了 80nm 金纳米颗粒在固体衬底上围绕激光束的稳定轨道旋转，并不受布朗运动影响。
据了解，该片上纳米马达可实现光能到机械能的转化，从而可以作为光驱引擎，为纳米级的功能设备提供动力。
下一步，李金刚[6]会继续拓展上述新型光学操控技术的性能与应用，包括探究对其他纳米材料、比如纳米线的适用性；他还将组装纳米结构，去探究纳米材料之间的相互作用，同时改进纳米马达、以及优化其能量效率；并致力于将新型光学操控技术、用于生命科学和材料科学等领域的研究。
支持：张智
参考资料：
1.Li, J., Chen, Z., Liu, Y., Kollipara, P. S., Feng, Y., Zhang, Z., & Zheng, Y. (2021). Opto-refrigerative tweezers.Science Advances, 7(26), eabh1101.
3.Li, J., Wang, M., Wu, Z., Li, H., Hu, G., Jiang, T., ... & Zheng, Y. (2020). Tunable chiral optics in all-solid-phase reconfigurable dielectric nanostructures.Nano Letters, 21(2), 973-979.
4.Li, J., Kollipara, P. S., Liu, Y., Yao, K., Liu, Y., & Zheng, Y. (2022). Opto-Thermocapillary Nanomotors on Solid Substrates.ACS Nano，2022, 16(6) 8820-8826.
5.郑跃兵主页：https://zheng.engr.utexas.edu/
6.李金刚主页：https://sites.google.com/view/jingang-li/