用激光操控微液滴定向運(yùn)動繪制出熊貓圖案、將音樂信號轉(zhuǎn)換成液滴運(yùn)動...這一系列現(xiàn)象聽起來有些不可思議。

華南理工大學(xué)蔣凌翔教授

近期，華南理工大學(xué)前沿軟物質(zhì)學(xué)院蔣凌翔教授團(tuán)隊與暨南大學(xué)納米光子學(xué)研究院李宇超副教授團(tuán)隊合作利用光-熱-力多物理場耦合成功實現(xiàn)了相分離微液滴的高時空精度操控。

談及實驗的基本原理，蔣凌翔提到：“某些特定的分子具有受熱發(fā)生液液相分離的特性，形成的兩相都是液體且含有大量水分，其中一相含有更多溶質(zhì)，另一相含有溶質(zhì)較少?！?br/>

實驗過程中，研究人員將激光聚焦在金膜上，從而產(chǎn)生局部分解溫度，響應(yīng)溶液熱點(diǎn)，從而產(chǎn)生單個光熱液滴。

穩(wěn)定的熱場確保空間精度能夠達(dá)到 1μm，快速的加熱和響應(yīng)速度確保時間精度維持在 0.1 秒。

運(yùn)用激光聚焦技術(shù)可根據(jù)需要決定相分離液體的形成、溶解、定位、成型和動態(tài)重構(gòu)。研究人員進(jìn)一步編程激光聚焦微液滴，用時間連續(xù)的方式編排微液滴圖案，制作出高保真的微尺度液體動畫。

相關(guān)論文以《具有時空精度和功能復(fù)雜性的光熱可編程液體》（Optothermally programmable liquids with spatiotemporal precision and functional complexity）為題，發(fā)表于 Advanced Materials 雜志，并列第一作者是暨南大學(xué)博士后陳熙熙、武田麗和碩士黃丹敏。

激光誘導(dǎo)液液相分離

圖 | 光熱相分離原理（來源：Advanced Materials）

整個研究最關(guān)鍵的步驟是用溫度誘導(dǎo)液液相進(jìn)行分離，采用將激光照射在金膜上的方法進(jìn)行加熱。照射的過程中會產(chǎn)生等離子體效應(yīng)，定點(diǎn)加熱微液滴，產(chǎn)生局部的溫度差，誘導(dǎo)分子發(fā)生液液相分離。

圖 | 產(chǎn)生光熱液滴的實驗裝置（來源：Advanced Materials）

實驗使用的裝置包括一臺倒置熒光顯微鏡和掃描光系統(tǒng)。激光由聲光偏轉(zhuǎn)板（Acousto Optical Deflectors，AOD）調(diào)制，通過擴(kuò)束器擴(kuò)展，聚焦在 60× 水浸物鏡的成像平面上。

據(jù)介紹，實現(xiàn)光熱液液相分離的關(guān)鍵是光學(xué)技術(shù)。該技術(shù)可以在 100×100μm2 的工作場中偏轉(zhuǎn)單個高頻激光束（高達(dá)100kHz），產(chǎn)生高達(dá) 2500 個焦點(diǎn)，用白光 LED 光源進(jìn)行熒光激發(fā)。

熒光圖像使用綠色熒光濾鏡或紅色熒光濾鏡進(jìn)行拍攝，用高速相機(jī)和彩色相機(jī)記錄。

選取具有代表性的低臨界溶液溫度（LCST）體系開展實驗

圖 | UCST 和 LCST 系統(tǒng)原理圖（來源：Advanced Materials）

液液相分離的過程中會達(dá)到高臨界溶液溫度（UCST，upper critical solution temperature）與低臨界溶液溫度（LCST，lower critical solution temperature）。

在較低的溫度下，強(qiáng)烈的分子間相互作用（如氫鍵）導(dǎo)致混合焓為負(fù)，并在兩組分之間形成混相。這些分子間的相互作用往往具有高度的方向性，并且需要付出一定熵代價。

當(dāng)加熱到臨界溫度以上時，熵項主要通過打破定向分子間相互作用釋放自由度驅(qū)動相分離。

圖 | 實驗中選取的低臨界溶液體系（來源：Advanced Materials）

圖 | 低臨界溶液溫度體系組分結(jié)構(gòu)（來源：Advanced Materials）

低臨界溶液溫度已在多種聚合物或小分子體系中被觀察到。

此次的光熱實驗選取 7 個具有代表性的 LCST 體系進(jìn)行，由小分子、合成聚電解質(zhì)、蛋白質(zhì)組成，在不同的激光束溫度與時間下實現(xiàn)液液相分離。

用激光束控制微液滴排列 將光能轉(zhuǎn)化為熱能

圖 | 光熱相分離微液滴實現(xiàn)的“熊貓抱竹”圖案（來源：Advanced Materials）

液體具有表面張力，會維持自身的形狀，因此難以控制，利用激光光斑的排列可使液體產(chǎn)生不同的形狀與圖案，如點(diǎn)、線性、圓形、三角形和方形液滴等。

具體來講，研究人員通過控制激光的分布與功率等參數(shù)，把光能轉(zhuǎn)換為熱能，控制光熱相分離液體產(chǎn)生相應(yīng)圖案。

液滴隨著熱場的分布排列成不同的復(fù)雜圖案，以形成的“熊貓抱竹”圖案為例，圖像的空間分辨率達(dá)到 1μm 左右。呈現(xiàn)出的熊貓輪廓清晰，高度模仿出了原始的熊貓圖形。

圖 | 光熱相分離微液滴產(chǎn)生的“化繭成蝶”液體動畫（來源：Advanced Materials）

研究團(tuán)隊運(yùn)用液滴的受力與其本身具有的可塑造性，使微液滴在激光的移動軌跡下同時運(yùn)動、重組，成功達(dá)到動態(tài)重構(gòu)的目的，實現(xiàn)了可編程化精確操控。

在激光的動態(tài)、精準(zhǔn)操控下，液滴有序排列，繪制出“化繭成蝶”的全過程液體動畫（由毛毛蟲蛻變?yōu)橄x繭和蝴蝶）。

圖 | 微液滴呈現(xiàn)音樂可視化的效果、構(gòu)造仿生微反應(yīng)器（來源：Advanced Materials）

基于上述應(yīng)用，研究團(tuán)隊深挖可編程微液滴的其它應(yīng)用場景。音頻信息順利轉(zhuǎn)化成為微液滴的運(yùn)動行為圖案，將樂曲的可視化動態(tài)效果展現(xiàn)給聽眾。

最后，團(tuán)隊實現(xiàn)了蛋白質(zhì)、染料分子等多種微觀樣品之中的微液滴定點(diǎn)富集、運(yùn)輸?shù)?，還利用微液滴重組出時間與空間可調(diào)控的模擬生物微觀反應(yīng)生物系統(tǒng)，加強(qiáng)級聯(lián)酶促反應(yīng)，起到催化劑的作用。

應(yīng)用于微電子與細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域

液液相分離技術(shù)將能夠在微電子、非平衡物理和細(xì)胞生物學(xué)等領(lǐng)域產(chǎn)生影響。

例如，液體繪畫可以通過引入交聯(lián)單體進(jìn)行固化，從而使液液相分離產(chǎn)生永久結(jié)構(gòu)。

含有濃縮電解質(zhì)的液型可作為通向液回路的可重構(gòu)導(dǎo)線，產(chǎn)生固有的非平衡系統(tǒng)。激光照射連續(xù)輸入的能量可以驅(qū)動液滴內(nèi)外對流，有可能在更大的范圍內(nèi)引導(dǎo)流體流動。

這種光熱轉(zhuǎn)化策略可以使活細(xì)胞實驗達(dá)到亞細(xì)胞精度，通過工程細(xì)胞表達(dá)熱敏蛋白，并將其培養(yǎng)在具有金涂層的培養(yǎng)基基底上。

“雖然激光聚焦技術(shù)已被常規(guī)用于操縱固體顆粒或微加工固體材料，但在信息加密、載荷傳輸和反應(yīng)定位方面具有功能復(fù)雜性。我們期望它能進(jìn)一步應(yīng)用于生物分子凝聚的亞細(xì)胞組織和非平衡系統(tǒng)的可編程調(diào)制等場景?！笔Y凌翔說。

參考資料：

Xixi Chen,Tianli Wu,Danmin Huang,Jiajia Zhou,Fengxiang Zhou,Mei Tu,Yao Zhang,Baojun Li,Yuchao Li,Lingxiang Jiang（2022）.Optothermally Programmable Liquids with Spatiotemporal Precision and Functional Complexity.Advanced Materials