原創(chuàng)長光所Light中心中國光學(xué)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(shè)計，致使這種機構(gòu)才能服務(wù)于人們的現(xiàn)實生活。其中，在高中數(shù)學(xué)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(fù)雜的過程，其中暗藏著豐富的化學(xué)和物理作用。要想去研究這種微觀粒子的動力學(xué)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(shù)。
圖源：中國科學(xué)教授春光機所，Light學(xué)術(shù)出版中心，新媒體工作組
2018年獲得諾貝爾化學(xué)學(xué)獎的光鑷技術(shù)，你們耳熟能詳，其相關(guān)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(xué)學(xué)獎的光鑷技術(shù)
2綜述：光鑷技術(shù)的原理，實踐及應(yīng)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(xué)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(yè)的數(shù)學(xué)名詞，這對本篇報導(dǎo)的理解極為重要。
光學(xué)物質(zhì)（）：1990年8月17日，刊物以題目為“:andin/光學(xué)物質(zhì)：在強光場中的結(jié)晶與結(jié)合”【?】，對光學(xué)物質(zhì)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(zhì)中，可以產(chǎn)生可擴充的晶體和非晶體陣列結(jié)構(gòu)，稱之為光學(xué)物質(zhì)。
光學(xué)物質(zhì)的存在有兩種方式：
第一種是電介質(zhì)物質(zhì)直接響應(yīng)于外加的串擾光場；
第二種是外加光場可能造成介電物質(zhì)形成其它復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。
但無論如何，這種新的有序結(jié)構(gòu)的形成都與入射光場和物質(zhì)的極性有關(guān)。
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(zhuǎn)運到線粒體內(nèi)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(nèi)膜即出膜，所以有mhsp（內(nèi)膜熱暈厥蛋白）70與蛋白的N-導(dǎo)肽結(jié)合進而固定在內(nèi)膜的表面，N-導(dǎo)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(xué)學(xué)家瑪麗安·斯莫盧霍斯基于1912年提出的永動機構(gòu)想，因化學(xué)學(xué)家理查德·費曼于1962年的講堂中傳播開來。”其實質(zhì)是指不違背熱力學(xué)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(shè)想圖
圖源：世界衛(wèi)生創(chuàng)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(xué)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(dǎo)，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(chuàng)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(xiàn)在新的語境中，這為我們在不同領(lǐng)域中的思索提供了豐富的空間。”所以說，在不同的領(lǐng)域布朗式棘輪模型具有更為寬廣的內(nèi)涵和外緣。
在2020年10月19日，日本光學(xué)學(xué)會（OSA）旗艦刊物發(fā)表了一篇題為“:bymodesinbound/光學(xué)物質(zhì)機器：在光禁錮下納米粒子實現(xiàn)集體模式的角動量轉(zhuǎn)換”的文章。
作者們在此提出了一種在納米尺度上進行光驅(qū)動的新方式，由于傳統(tǒng)的光驅(qū)動形式都關(guān)注在入射場對光學(xué)物質(zhì)陣列形成的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)剖析，而甚少關(guān)注光學(xué)物質(zhì)形成產(chǎn)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(chǎn)生一個多邊形光學(xué)物質(zhì)的動態(tài)仿真圖。淡黃色和黑色區(qū)域表示的是粒子周圍產(chǎn)生的電場；
下圖為估算剖析光學(xué)物質(zhì)縱向截面上的波印廷矢量流線圖；
圖源：F./華盛頓學(xué)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(fā)生自組裝效應(yīng)，因為入射的圓偏振具有旋轉(zhuǎn)對稱的光學(xué)禁錮作用，促使7個粒子產(chǎn)生六角形對稱的光學(xué)物質(zhì)，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(xué)物質(zhì)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(chǎn)生一個整體的“負轉(zhuǎn)矩”，其出現(xiàn)的現(xiàn)象是7個納米粒子整體像一個質(zhì)心一樣運動，其運動方向與入射場偏振光態(tài)相反。
在圖2的仿真動態(tài)圖中彰顯不出這樣的運動，由于實際粒子整體運動的發(fā)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(xué)物質(zhì)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(xué)物質(zhì)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(zhì)心運動軌跡；綠色線為探針粒子的運動軌跡）；
下圖表示光學(xué)物質(zhì)機器運動的示意圖（箭頭表示優(yōu)先旋轉(zhuǎn)的方向；實心和空心方框表示探針粒子的穩(wěn)定與不穩(wěn)定狀態(tài)位置）
圖源：Vol.7,No.10/2020/Fig.1a)/Fig.4e)/Fig.4a)
探針粒子與光學(xué)物質(zhì)組成了一個類似“布朗式棘輪”的結(jié)構(gòu)，因為光學(xué)物質(zhì)集體模式存在有一個散射場，如圖2的下圖所示，光學(xué)物質(zhì)外圍都會存在一股電磁能流，才能驅(qū)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(zhuǎn)化，會聚光束提供了一個光勢阱，產(chǎn)生了一個向內(nèi)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(huán)型蝸桿的外圍。但是探針粒子的運動方向與光學(xué)物質(zhì)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(fā)出的這些微型光機器，可以將激光轉(zhuǎn)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(yīng)用。
本文通信作者華盛頓學(xué)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(xué)界常年以來的一個目標，即創(chuàng)造可以在傳統(tǒng)環(huán)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(xué)物質(zhì)“布朗式棘輪”還有好多其它的有趣特點，比如穩(wěn)定性、效率以及探針粒子的大小和個數(shù)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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