中国科学家改进诺奖成果光镊技术，利用激光冷却实现纳米颗粒的无创捕获，精确操控位置误差小于20nm
- 麻省理工科技评论
- 2022-07-19 11:19:46
【中国科学家改进诺奖成果光镊技术，利用激光冷却实现纳米颗粒的无创捕获，精确操控位置误差小于20nm】
“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。
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。
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。
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中国科学家改进诺奖成果光镊技术，利用激光冷却实现纳米颗粒的无创捕获，精确操控位置误差小于20nm
“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。
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。
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。
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中国科学家改进诺奖成果光镊技术，利用激光冷却实现纳米颗粒的无创捕获，精确操控位置误差小于20nm
