原創長光所Light中心中國光學收錄于話題#光鑷4個
招募撰稿人/主筆
撰稿|楊大海（哈師大博士生）
在生活中，有好多的機械傳動裝置。正是得益于工程師們靈巧的設計，致使這種機構才能服務于人們的現實生活。其中，在高中數學課本中你們最為熟知的是曲柄曲軸裝置，彰顯在日常生活中最為常見的就是單車傳動的棘輪裝置。
而在微觀世界里，微納粒子的運動或則說傳動是一個十分復雜的過程，其中暗藏著豐富的化學和物理作用。要想去研究這種微觀粒子的動力學過程以及對它們進行操縱，目前最好的方式自然是光鑷技術。
圖源：中國科學教授春光機所，Light學術出版中心，新媒體工作組
2018年獲得諾貝爾化學學獎的光鑷技術，你們耳熟能詳，其相關知識可以通過往期推文（點擊下邊文章題目）獲得：
1綜述：兩次獲得諾貝爾化學學獎的光鑷技術
2綜述：光鑷技術的原理，實踐及應用
3讓人遺憾的是，在去年的9月21日，諾獎得主阿瑟·阿什金()逝世【?】，享年98歲。在這兒讓我們再一次懷著一顆崇敬的心，向科學家高手致敬。
在步入明天的主題之前，須要了解兩個特別專業的數學名詞，這對本篇報導的理解極為重要。
光學物質（）：1990年8月17日，刊物以題目為“:andin/光學物質：在強光場中的結晶與結合”【?】，對光學物質這一概念做了定義，其是指將電磁場以一定適當方式耦合到微觀介質中，可以產生可擴充的晶體和非晶體陣列結構，稱之為光學物質。
光學物質的存在有兩種方式：
第一種是電介質物質直接響應于外加的串擾光場；
第二種是外加光場可能造成介電物質形成其它復雜的結構。
但無論如何，這種新的有序結構的形成都與入射光場和物質的極性有關。
布朗式棘輪（）：百度百科對布朗棘式輪模型作出的解釋是“布朗式棘輪模型是指線粒體前體蛋白從粗面核糖轉運到線粒體內膜是因為前體蛋白的擺動性（即布朗運動），可能會剛步入線粒體內膜即出膜，所以有mhsp（內膜熱暈厥蛋白）70與蛋白的N-導肽結合進而固定在內膜的表面，N-導肽在前體蛋白成熟后會由特定酯化酶將酯化掉。”
維基百科對布朗棘式輪模型作出的解釋是“布朗式棘輪（），又稱費曼棘輪，由德國化學學家瑪麗安·斯莫盧霍斯基于1912年提出的永動機構想，因化學學家理查德·費曼于1962年的講堂中傳播開來。”其實質是指不違背熱力學第二定理的永動機裝置。如圖1所示布朗粒子，棘輪就是指如圖1.左邊沿上有特殊形狀的蝸桿裝置。
圖1.布朗式棘輪的運動設想圖
圖源：世界衛生創新論壇
總體來說，布朗式棘輪模式是研究不管是微觀、介觀還是宏觀動力學過程中不可或缺的一個模型。在2002年5月2日，刊物以題目名為“:'s/布朗式棘輪：達爾文電機”【?】，對布朗棘輪也做了報導，文中提及“生命活動所依賴的分子運動都來始于布朗運動”以及“在運動蛋白過程中，所創造的’秩序’是一種定向力，而選擇的成因是分子間的互相斥力。為此，布朗棘輪的概念不斷出現在新的語境中，這為我們在不同領域中的思索提供了豐富的空間。”所以說，在不同的領域布朗式棘輪模型具有更為寬廣的內涵和外緣。
在2020年10月19日，日本光學學會（OSA）旗艦刊物發表了一篇題為“:bymodesinbound/光學物質機器：在光禁錮下納米粒子實現集體模式的角動量轉換”的文章。
作者們在此提出了一種在納米尺度上進行光驅動的新方式，由于傳統的光驅動形式都關注在入射場對光學物質陣列形成的結構和動力學剖析，而甚少關注光學物質形成產生的散射場會有如何的特點。本文針對這個問題作出了詳盡的剖析討論。
圖2.左圖為在圓偏振光激光照射下，7個納米粒子（淺藍黑斑點）產生一個多邊形光學物質的動態仿真圖。淡黃色和黑色區域表示的是粒子周圍產生的電場；
下圖為估算剖析光學物質縱向截面上的波印廷矢量流線圖；
圖源：F./華盛頓學院；Vol.7,No.10/2020/Fig.3d)
如圖2所示，研究人員通過將右旋圓偏振光激光入射到7個納米粒子上，150nm半徑的銀納米顆粒之間都會通過形成比光波長小得多的互相作用而發生自組裝效應，因為入射的圓偏振具有旋轉對稱的光學禁錮作用，促使7個粒子產生六角形對稱的光學物質，中間具有一個粒子，其余的分布在多邊形周圍。
對于為何成多邊形分布？是因為存在一個角動量守恒的選擇定則；選擇定則的存在決定了光學物質幾何形狀的模式，而幾何模式又決定著粒子散射場的分布。
在銀納米粒子實際的運動過程中，7個銀納米粒子會在右旋圓偏振光的照射下，因為粒子的散射場會產生一個整體的“負轉矩”，其出現的現象是7個納米粒子整體像一個質心一樣運動，其運動方向與入射場偏振光態相反。
在圖2的仿真動態圖中彰顯不出這樣的運動，由于實際粒子整體運動的發生時間比此處仿真顯示的皮秒時間尺度要長得多，而在右圖的實際粒子捕獲中可以聽到。更為有趣的是，假如在光學物質外圍有一個“探針”粒子存在時，探針粒子的運動將更為獨特，如圖3所示。
圖3.左圖為光學物質機器的原理圖；
中間圖為實拍粒子運動時的截屏圖（藍色線為整體的質心運動軌跡；綠色線為探針粒子的運動軌跡）；
下圖表示光學物質機器運動的示意圖（箭頭表示優先旋轉的方向；實心和空心方框表示探針粒子的穩定與不穩定狀態位置）
圖源：Vol.7,No.10/2020/Fig.1a)/Fig.4e)/Fig.4a)
探針粒子與光學物質組成了一個類似“布朗式棘輪”的結構，因為光學物質集體模式存在有一個散射場，如圖2的下圖所示，光學物質外圍都會存在一股電磁能流，才能驅使探針粒子運動。
這兒探針粒子的能量主要來始于載流子角動量（SAM）和軌道角動量（OAM）的互相轉化，會聚光束提供了一個光勢阱，產生了一個向內的相位梯度，探針粒子被約束在一個類似具有徑向約束的環型蝸桿的外圍。但是探針粒子的運動方向與光學物質整體運動的方向相反，這正好也彰顯著角動量守恒的原則。如下視頻所示，為銀納米顆粒的實際光捕獲實驗。
在此處，研究者開發出的這些微型光機器，可以將激光轉化為做功。而且，這種光動力機器可以自行自組裝，可實際用于納米級的微小粒子操作，如納米流體和粒子生物分子、細胞分選等應用。
本文通信作者華盛頓學院的F.院士，在接受OSA的專訪時提到“我們的工作解決了納米科學界常年以來的一個目標，即創造可以在傳統環境中工作（如溫度液體），進行自組裝的納米尺度機器。”
雖然布朗粒子，光學物質“布朗式棘輪”還有好多其它的有趣特點，比如穩定性、效率以及探針粒子的大小和個數等要素，有興趣的讀者可以通過下邊鏈接查看論文原文。
文章信息
Vol.7,Issue10,pp.1341-1348(2020).
論文地址
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