杜克大学黄俊教授团队提出“声电纳米镊子”，为直接操控大尺度纳米材料提供了抓手，有助...
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纳米级胶体和材料的 “动态并行操作” 是机械工程与材料力学领域的一个重大挑战。当粒子小于 100 纳米甚至更小时，声辐射力随粒径的降低衰减非常之快，小到布朗运动便可以将排布的颗粒扰乱。
在此项工作中，声电纳米镊子结合电学镊子的稳定性及声学镊子的动态可控优势，实现了低于 100 纳米的粒子动态和大规模并行操控。
近日，由杜克大学机械工程与材料科学系黄俊教授担任通讯作者，博士后张沛然和博士生约瑟夫・鲁福（Joseph Rufo）担任共同第一作者的论文发表在 Nature Communications 杂志上。
图｜张沛然（来源：受访者）
论文标题为《声电纳米镊技术可以实现对纳米材料的动态和大规模控制》（Acoustoelectronic nanotweezers enable dynamic and large-scale control of nanomaterials）。
图｜相关论文（来源：Nature Communications）
该研究指出一种结合电场与声场优势的 AENT（Acoustoelectronic Nanotweezers，声电纳米镊子），可以实现对 100 纳米以下的粒子大规模并行、动态操作。同时， AENT 能够在宏观尺度上对纳米物体进行精确、多功能动态操作，如传输、富集、方向、图案叠加及分拣。
目前，相关领域内几乎所有的纳米操控装置系于光学概念，但这种方式有较多的缺陷。
譬如，因为它们都需要一个在末端聚焦的镜头形成聚焦光斑；这使得光学纳米镊的工作区域非常小，可控区间大多仅为几百微米。同时，由于光束具有聚焦的特征，在聚焦光斑处会产生很高的热量，使其可能对被操控的纳米材料有光－热损伤。
除经典光学纳米镊之外，还有一些基于光学原理的衍生技术，如通过激光诱导金属微纳结构的等离子体近场效应，在低能量密度条件下实现对纳米粒子的稳定捕获（甚至可捕捉单个蛋白质颗粒）；但因其金属微纳结构被加工后无法自由移动，无法实现纳米颗粒的动态操控。
张沛然向 DeepTech 表示，我们想找一种与光场一样的动态可调的长程物理场去操控纳米颗粒；同时，这种物理场的能量密度要足够低，能够保证无损操控。
除了光，最有潜力的便是声，因为通过干涉我们可以轻易构建一个全局可调的声场来操控纳米颗粒。然而，声的缺陷也比较明显：声波在流体中传播之时固有地会形成一种声致流体扰动，简称声流，这种扰动会破坏纳米颗粒图案。
因此，能不能找到一种具有低背景扰动，同时保持大尺度动态纳米操控潜力的声学机制至关重要。
可对 100nm 以下粒子大规模并行、动态操控
根据黄俊研究团队的计算结果，当粒子小于 100 纳米甚至更小时，声辐射力衰减的非常快，小到布朗运动就可以把捕获的颗粒扰乱掉。
张沛然向 DeepTech 表示，为了实现稳定的纳米操控，策略上他们没有选择用声场本身的声辐射力进行纳米操控，而是选择用寄生在声波上面的电场来操控纳米颗粒。
当声波在压电晶片表面传播时，在某一时刻因压电效应，晶片表面瞬时微形变上方会产生瞬时寄生电荷，进而在流体介质中会形成瞬时电场；基于声波的振动特征，在长时间尺度下，流体介质中形成同频的交流电场，使得晶片表面附近的电中性纳米颗粒被极化，进而被移动至电场中的平衡位置。
基于此原理，黄俊团队在压电材料晶片表面加工了数个数字超声换能器；通过超声换能器的振动产生表面声波，利用声的传播特性和干涉特性，形成预定的电场分布和纳米图案。
图｜声电纳米镊子（AENT）的工作原理（来源：Nature Communications）
为了提高纳米操控的稳定性，他们主要聚焦两个方面。一是如何将背景流体内声流扰动完全消除，二是如何尽可能提高电场的强度。
通过对声波振动模式的优化，他们消除了声波向流体内传播的成分，同时增强了在晶片表面内侧传播的振幅。此项关键改进使压电晶片上方的流体介质中的扰动降至最低，同时使寄生电场的强度和相关电学力达到最高，实现了极具稳定性的纳米操控。
基于此向改进，声电纳米操控机制实现了极小（10 纳米以下）的纳米材料的操控，如 DNA（2.5 纳米）、多糖（1.4 纳米）、量子点（7 纳米）和蛋白质（3.5 纳米）等。
精确控制纳米粒子是许多新兴技术的关键能力。例如，将外泌体和其他微小的生物纳米颗粒从血液中分离出来，可以实现新型诊断测试，用于肿瘤和神经退行性疾病的早期检测。
黄俊表示，将来我们将进一步降低声电纳米镊的分辨率直至单分子水平。同时，进一步扩大实验装置的工作区域，以操控和加工米级尺度的纳米图案。通过这些改进，用户可以快速加工含特定精确纳米排布图案的宏观材料、并实现前所未有的新功能。
图｜纳米粒子操纵示意图（来源：Nature Communications）
张沛然也从另个一角度简单做了阐述。当某些小于 100 纳米或者 10 纳米的纳米材料进行了一定的空间有序排布，它们会形成一种宏观的特殊性能，比如木头中紧密排列的纤维素，拉在一起后会形成一种既轻便，又很坚韧的材料。同样的纤维素束被打碎后，结构被破坏，可被制成柔软易碎的宣纸。
从纳米材料研究本身来说，现在很少有技术可以直接操控纳米粒子；同时，对一些纳米尺度材料的表征是受限的。
“除了加工大尺度的纳米材料，我们的技术为‘如何在纳米尺度上直接操控这些材料’提供了一个抓手，有助于对后续纳米材料表征的研究。比如，可以观察，两个蛋白质纳米颗粒之间的结合力水平如何？原理如何？我认为将来在我们平台有可能实现，也具有很大的想象空间。” 张沛然对 DeepTech 说。
无需标记且动态可调，可稳定操控直径为 1.4nm 的多糖
AENT 最大的亮点是，用非常简单的装置实现特别大尺度的纳米材料操控，并且动态可调。只需通过调节声波幅度、频率或相位等参数，即可在厘米尺度进行一个动态的调控，这是之前几乎所有技术都做不到的。
另一个亮点是，张沛然研究团队可以将操控的粒子半径做到足够小，在某些极端情况下，可以稳定操控直径约为 1.4nm 的葡聚糖，无需标记且动态可调。
图｜通过声电纳米镊子操纵各种纳米材料和大分子（来源：Nature Communications）
张沛然向 DeepTech 表示，之前也有相关团队做过类似研究，但与我们的实验原理不同。
之前同类研究的核心逻辑是：在液体里面，把粒子用表面活性剂进行电荷标记，然后利用溶液中光致热 - 电场进行纳米操控。另外一个较为经典的原理是，利用类似于投影仪里面的微型数字镜阵阵列，将光学图案投影于二极管阵列基片上，在基片表面形成电场图案并进行纳米操控。
这两种原理都存在一定的缺陷。比如，第一种原理必须对粒子进行标记；第二种原理需要一个相对复杂的设备，最为重要的是，没有真正实现 10 纳米以下的粒子操控。
相比很多光学操控的纳米粒子研究而言，张沛然团队研究的声电纳米镊子尺度非常之大，只要把超声换能器做的足够大，就可以实现声电混合场在厘米区域内的传播、干涉，进而形成宏观尺度的纳米图案。
“然而，如何将可操控最小粒子的半径继续减小，压缩到单分子水平，同时将厘米级放大到几十厘米升至米级，这是我们目前面临的主要挑战。如果突破这方面的限制，我们可以进一步加工出一些非常有用的二维结构。” 张沛然告诉 DeepTech。
如果该研究获得重大突破，将会为相关领域带来三方面改变：
第一，可以实现非常宏观尺度纳米材料的加工，并实现前所未有的特殊功能。
第二，如果操控做的足够精确，可以研究纳米尺度相关的物理性质，比如说两个纳米材料之间的结合力等。
第三，在生物医药领域，可以进行单分子操控或者是单个酶的操控，这些对很多仪器的开发很有帮助，比如纳米孔测序等。
张沛然向 DeepTech 表示，目前而言，声电纳米镊子的研究对加工有纳米图案的宏观材料非常有帮助，目前很多新兴技术都有加工有纳米排布图案的宏观材料需求。
谈及未来 3-5 年应用落地时，张沛然称该应用离大规模商业化还有一段距离，我们目前还处在机制研发的阶段，当务之急是先将机制打磨好，然后再扩大到宏观生产中。
以终为始，探索在三维空间内对纳米材料进行精细操控
从国际化视角来看，纳米操控这个比较细分领域中仍存在许多难以突破的瓶颈，诸多技术在不同方面都有很大局限性，至今还没有一个很普适的操纵技术。
张沛然向 DeepTech 表示，我们的研究也有一些缺陷，比如纳米粒子需要在低导电性的液体环境中工作，这样对某些领域的研究有一定劣势。比如，当研究涉及复杂生物样本时，比如未稀释的血液，其导电性比较高，其中的纳米难以被操控。
同时，很多生物材料对 PH 值都比较敏感，因此它们相对需要一定的离子强度，合适的 PH 值才能展现正常功能。我们目前研究主要局限于这些非生物，或者没那么敏感的生物材料。
总而言之，目前很多机制大部分混合多种物理场，结合不同物理场的特定优势，它们的应用空间都比较特定，至今没有出现一个普适的纳米操控技术。
值得注意的是，黄俊教授团队已经做到很小的单分子群的排布，但是还没有观测到只操控一个分子的情况，因此他们希望下一步将针对单分子的操控稳定性提高到一定水平。
他们认为未来在三个方向还有提升的空间：
第一，如何将精度进一步提高，做到单分子精度的操控。
第二，把工作区域的尺度继续扩大，直接加工宏观材料，并且应用到实际生活中。
第三，目前仅是在一个压电材料表面去创造动态电场，未来尝试结合其他的工程结构，突破二维的限制，能否实现三维的电场操控，在三维空间内对纳米材料进行精细操控，加工具有空间纳米排布的三维材料。
“螺旋式” 前进的科研之路，离不开良师指路
张沛然向 DeepTech 表示，在开发声电纳米镊子的过程中，理论和实践是紧密结合的，缺一不可。
科研之路偶尔会有 “柳暗花明又一村” 之感，但更多的是仔细推敲后又发现离成功甚远，挫折与成功相辅相生，直至最终的开悟。用一句话概括 “科学研究，彷佛是一个螺旋式前进的过程”。
谈及如何面对科研过程中遇到的挫折和困难时，张沛然向 DeepTech 表示，自己一般会采取暴力测试或暴力计算的策略，仔细推敲所有的可能性，分析其中的原因，然后找出相关线索并整理，继续进行下一个周期的迭代。
如果实在找不到原因，他会虚心向导师请教。“在异国他乡的科研生涯中，黄俊教授给予我许多指导和帮助。就该篇论文而言，黄俊教授也提供了关键的支持”，张沛然告诉 DeepTech。
该论文的通讯作者黄俊表示，未来我们将进一步扩大实验装置的工作区域，以操控和加工米级尺度的纳米图案。通过这些改进，用户可以快速加工含特定精确纳米排布图案的宏观材料、并实现前所未有的新功能。
图｜黄俊（来源：受访者）
“我们相信这项技术将使很多重要领域收益，包括纳米药剂研究、纳米电子设备加工、纳米自组装及可穿戴电子设备制造等热门方向。”
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