干燥固體界面上微納物體全光操控的研究進展

中圖分類號：O436文獻標志碼：A

Abstract： With the continuous breakthroughs in laser technology and optical theory， as well as the rapid development of micro/nano technology， all-optical manipulation， a non-contact method， is important in scientific research and has its application scenarios ranging from fluid environments to dry solid interfaces.Recently，remarkable progress has been made in utilizing all-optical methods to manipulate micro/nano objects at dry solid interfaces. This review begins by introducing the research background of all-optical manipulation， which highlights the numerous chalenges associated with manipulating micro/nano objects at dry solid interfaces.It focuses on two key theoretical frameworks： opto-thermo-elastic wave theory and photothermal-shock theory. The review analyzes related studies in detail to demonstrate the advantages of all-optical methods in this field. Additionally，other approaches based on different theories for manipulation at dry solid interfaces are discussed.Finally，the review summarizes effective solutions to current challnges and provides an outlook on the future applications of al-optical methods for manipulating micro/nano objects at dry solid interfaces， aiming at offering systematic theoretical guidance and practical references for this field.

Keywords： al-optical manipulation; dry solid interfaces; opto-thermo-elastic wave; photothermalshock

引言

在微觀世界里，操控物體需要極高的精確度與靈敏度。當研究對象的尺寸達到微納量級時，傳統(tǒng)的機械工具往往無法滿足需求。隨著激光技術(shù)和光學理論的發(fā)展，一種全新的、非接觸式的操控方法一全光操控應運而生，并迅速成為相關(guān)科學研究的重要手段。

在20世紀70年代末，Ashkin開創(chuàng)了“光鑷”技術(shù)研究領(lǐng)域，他首次利用激光束產(chǎn)生的輻射壓力，成功實現(xiàn)了對微觀粒子的捕獲和操控。傳統(tǒng)單光束光鑷在操控微納物體及其結(jié)構(gòu)時存在顯著局限性，特別是難以滿足在干燥固體界面上實現(xiàn)精準操控的需求。為了支撐微納尺度新興領(lǐng)域（如片上集成光子回路、納米機器人多自由度驅(qū)動等），開發(fā)能在干燥固體界面上更加精準、實時反饋且非接觸的操控技術(shù)成為該領(lǐng)域的關(guān)鍵發(fā)展方向。用全光操控技術(shù)在干燥固體界面對微納物體實施有效操控不僅是解決當前技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵所在，也是多學科交叉融合與發(fā)展的重要推動力量。

1 研究背景

1901年，Lebedev[1]首次成功消除了輻射計效應帶來的影響，用實驗證明了光壓的存在。他所測得的太陽光壓大小與Maxwell的理論計算結(jié)果相符。1903年，Nichols等2進行了更精確的測量實驗，進一步驗證了光壓的存在，并討論了其特性。然而，普通光源的能量密度低，不足以讓光動量產(chǎn)生顯著作用。

1970年，Ashkin[3（2018年諾貝爾物理學獎獲得者）首次提出使用激光光束向微觀物體施加力。他通過單束聚焦激光形成的光鑷系統(tǒng)，成功捕獲了溶液中的微球，實現(xiàn)了流體內(nèi)微觀物質(zhì)的原位觀測和光力響應探測。自此之后，人們才真正認識到光壓的潛力，也為Chu（1997年諾貝爾物理學獎獲得者）等[4的工作奠定了堅實基礎(chǔ)。

1960年，著名物理學家Feynman[提出：人類還沒有充分探索和利用微觀世界。他預測人類有一天可以排列和操控單個原子，這將為材料科學、計算技術(shù)、醫(yī)學等眾多領(lǐng)域帶來前所未有的進步。

傳統(tǒng)單光束光鑷的研究大多數(shù)是圍繞著光梯度力、光散射力展開的。廣義而言，這兩種力都可以視為光動量轉(zhuǎn)移的結(jié)果，因此后文將它們統(tǒng)稱為“光動量力”。然而，光動量力（皮牛量級）太小，無法克服干燥固體界面上的界面摩擦力（微牛量級）[6-8]來對微納物體進行操控。通常來說，傳統(tǒng)單光束光鑷基于光動量轉(zhuǎn)移原理，采用相干光源和高數(shù)值孔徑物鏡，將入射光功率聚集在衍射極限光斑內(nèi)，并保持局部光強度為10⁵～10⁸Wcm² 。光的衍射性質(zhì)以及光速限制從根本上決定了可以通過光動量施加給物體的最大力，即使是在實現(xiàn)了相當強的場約束情況下，光動量力通常也不會超過微牛量級。許多研究團隊針對光鑷操控的自由度[、新型光學力[]、小型化集成[11]、光場調(diào)控[12]、局域增強[13-1]等方面進行了深入研究，極大地促進了光鑷的發(fā)展。然而由于其局限性，該技術(shù)的應用場景大多仍局限在流體環(huán)境中[17-20]

在干燥固體界面上用傳統(tǒng)方法操控微納物體通常需要用到原子力顯微鏡[21-22]、掃描隧道顯微鏡[23]、微納探針[24]等。傳統(tǒng)方法雖然操作便捷、環(huán)境適應性強，但會產(chǎn)生物理接觸，從而導致應力集中在單個位點上，難以避免地會對被控物體造成機械損傷。而光學操控技術(shù)具有遠程、非侵入、可編程等優(yōu)勢，它能以無接觸的方式精準操控微納物體，因而受到了廣泛的關(guān)注。

光動量力太小，不足以在干燥固體界面上操控微納物體。為突破這一局限，研究者通過表面潤滑（如固液相變[25]）和減少接觸面積（如曲面接觸[2）等策略實現(xiàn)了對微納物體的光學操控。不過，由于這些方法需要特定的條件和復雜的結(jié)構(gòu)，其應用場景仍相對有限。

隨著全光操控技術(shù)在干燥固體界面上微納物體操控研究中的不斷深入，光-熱-彈性波理論和光-熱-沖擊理論為相關(guān)工作提供了重要的理論指導。這些理論不僅揭示了光與物質(zhì)相互作用的微觀機制，還為微納尺度動態(tài)操控的實驗設計和技術(shù)開發(fā)指明了方向。基于這兩種理論框架，研究者已經(jīng)積累了大量的研究成果（見圖1）。

2光-熱-彈性波理論

2.1 基本原理

聲波是一種在彈性介質(zhì)中傳播的經(jīng)典機械波，通過與介質(zhì)粒子的動量與能量交換產(chǎn)生宏觀作用力——聲輻射力[27]。該力在理論表達式上與光動量力相似。但在彈性介質(zhì)中，聲速遠低于光速。在相同輸入功率條件下，聲波通過介質(zhì)傳遞動量的效率更高，因此作用效果通常更為顯著。基于此特性，研究人員利用光熱效應將光能轉(zhuǎn)化為局部熱應力以激發(fā)彈性波，進而在干燥固體界面上實現(xiàn)了微納物體的全光操控。

具體來說，當脈沖激光照射到微納物體上時，物體會迅速將吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能，從而引發(fā)晶格振動（即產(chǎn)生彈性波）。彈性波在接觸面上會遇到摩擦力的阻礙。如果摩擦力足夠大，它將完全反射掉入射的彈性波，使微納物體保持靜止。但當彈性波產(chǎn)生的驅(qū)動力大于最大靜摩擦力時，微納物體將會在彈性波的作用下發(fā)生平移、旋轉(zhuǎn)、螺旋前進等復合運動。

為了深入闡述光-熱-彈性波理論，Lyu等[28]設計了一個二維物理模型：將薄微板放置在基板上。當薄微板相對于基板移動時，兩者之間會產(chǎn)生摩擦力，該摩擦力在研究過程中被簡化為點力，在后文中將這個點力的作用點稱為摩擦點。當脈沖激光照射時，薄微板吸收光能，溫度上升，并由此激發(fā)彈性波。這一過程可以用線性彈性方程來描述

式中： 表示摩擦力在位置 r₀ 處簡化得到的點力， δ（r-r₀） 為狄拉克 δ 函數(shù)， r 是位置矢量； 是薄微板在彈性波作用下產(chǎn)生的位移； σ E ， ρ ， α_th 分別是薄微板的泊松比、楊氏模量、密度和線膨脹系數(shù)； t 是時間變量； abla 是Nabla算子； T 是待操控薄微板的溫度分布； δT（r;t） 是溫度場的擾動。該研究團隊將位移 分解為 和 ，其中， 是在沒有摩擦力（ F_f=0 ）時方程的解，即溫度變化 δT 的位移貢獻，而 則是摩擦力的位移貢獻。

在分析由摩擦力引起的彈性位移 時，為了更好地理解材料內(nèi)部的能量傳遞和變形機制，將 展開成一系列的彈性波模式。特別是對于薄微板結(jié)構(gòu)（其厚度遠小于彈性波的波長），彈性波在薄微板上主要激發(fā)的是縱向基模，角頻率為 ω ，波數(shù) k_L 和速度 u_L 為

如圖2所示，由于薄微板很薄，彈性波主要沿著薄微板的 x 方向傳播， 主要表現(xiàn)為 x 方向的分量。該分量為

式中， G_el（x，x₀;t-t^′） 是線性彈性方程的格林函數(shù)，通過薄微板的彈性波縱向基模展開簡化得到

式中： t^′ 是摩擦力的歷史作用時間點； t_R=2L/ν_L 是彈性波在薄微板中往返傳播的時間； t_r（r= 0，1，2，3）是彈性波從摩擦點 x₀ 傳播到觀察點 x 的不同路徑所需的時間； H（t） 是一個分段函數(shù)，當 t?0 時， H（t）=1 ，當 tlt;0 ， H（t）=0 ：n=0 ，1，2用來標記彈性波在板內(nèi)來回反彈的次數(shù)； M_p 是整個薄微板的質(zhì)量。

根據(jù)Tang等[2的研究，為簡化對摩擦力F_f 的分析，可忽略掉摩擦力對其自身先前時刻值的依賴性，即：假設摩擦力僅取決于當前狀態(tài)而不考慮歷史影響。這種假設相當于在式（5）中只保留主導項（ ?_r=0 ， n=0 ），從而簡化了摩擦力的表達式。該操作雖然會導致精確度略有下降，但有助于研究者深入理解系統(tǒng)的物理行為。

基于此假設，引入了閾值速率 u_s

當摩擦點靜止時（即 |ν_th，x|?ν_s ），摩擦力可以近似為

式中， u_th，x=?u_th，x（x₀;t）/?t ，表示摩擦點處的速度隨溫度變化的情況。

當摩擦點移動時（即 |ν_th，x|gt;ν_s ），摩擦力可以近似為

式中，sgn為符號函數(shù)，用于確定摩擦力方向。綜合考慮 u_th，x 和 u_f，x 兩部分的貢獻，摩擦點 x 方向的位移可以近似為

根據(jù)前述的理論框架，研究團隊進一步分析認為：

1）只有當因溫度變化引起的變形速率大于閾值速率（即 |ν_th，x|gt;ν_s ）時，摩擦點才會移動。

2）當摩擦點靜止（即 |ν_th，x|?ν_s ）時，摩擦力會阻止摩擦點的移動。

3）使用脈沖激光可以高效控制薄微板的位移，它能夠引起加熱和冷卻階段之間的時間尺度的不對稱。脈沖激光能在短時間內(nèi)提供大量熱量，迅速加熱薄微板，使其變形速率 |ν_th，x| 超過閾值速率 u_s ，從而使摩擦點移動。而在較長的冷卻階段，摩擦力會阻止摩擦點返回原位，這樣每次加熱階段產(chǎn)生的位移都可以累積起來，最終實現(xiàn)較大的總位移[30]

值得注意的是，在彈性波傳播的過程中，摩擦力會起阻礙作用。當接觸面處于靜止狀態(tài)時，摩擦力足以完全反射入射波，通過入射波與反射波的干涉抵消，維持接觸面的相對靜止狀態(tài)。在接觸面即將發(fā)生滑動的臨界狀態(tài)下，由光能吸收激發(fā)的彈性波能量累積超過閾值。此時，最大靜摩擦力通過接觸面做功的能耗速率無法匹配彈性波的能量輸入速率，摩擦力的阻礙作用被突破，薄微板從靜摩擦平衡狀態(tài)變?yōu)榛瑒訝顟B(tài)。這種從靜態(tài)到動態(tài)的轉(zhuǎn)變表明，摩擦力在這個過程中起到了阻礙作用。當入射彈性波的能量超過一定閾值時，它就能有效克服摩擦力的影響，使薄微板發(fā)生移動。然而實驗證實，摩擦力在此過程中并非單純阻礙運動，其還是物體發(fā)生運動的必要條件之一。

研究發(fā)現(xiàn)，如果沒有摩擦力，由光誘導的彈性波僅能導致物體變形，而不會使物體的質(zhì)心發(fā)生位移，Lyu等2通過數(shù)值計算證實了該結(jié)論。為了更好地理解這一點，可以將此現(xiàn)象與人類行走時的情況進行類比：當人向前邁步時，腳對地面施加作用力，地面產(chǎn)生的摩擦力作為反作用力將身體推向前進。如果地面沒有摩擦力，即使腳再用力，也無法向前移動。同樣，在微納尺度下如果沒有摩擦力的作用，薄微板由于溫度變化而產(chǎn)生的彈性波只會造成它自身的變形，但其質(zhì)心的位置不會發(fā)生變化。因此，摩擦力是全光操控技術(shù)在干燥固體界面上使微納物體產(chǎn)生實際位移的關(guān)鍵因素。摩擦力的存在確保了薄微板在滑動后不會返回到原始位置，從而實現(xiàn)質(zhì)心的有效位移。

2.2基于光-熱-彈性波理論的研究進展

2017年，Lu等31 探討了光動量力和光熱力的協(xié)同效應。結(jié)合這兩種力，他們使用超連續(xù)譜光源，在錐形光纖上實現(xiàn)了對金薄微板的推拉運動操控，速率為 28μm/s [圖3（a）]。2019年，Lu 等[30又展示了金薄微板在微納光纖上的螺旋前進運動[圖3（b]。他們通過改變光源的重復頻率和單脈沖能量，精確地控制了金薄微板的旋轉(zhuǎn)分辨率和步進分辨率。研究人員對這一現(xiàn)象的解釋為：脈沖激光與金薄微板相互作用時，其能量吸收引發(fā)局部熱彈性膨脹，從而激發(fā)出特定模態(tài)的蘭姆波（Lambwave）。

2021年，Tang等2通過觀察金薄微板在微納光纖上的螺旋前進運動[圖3（c）]，發(fā)現(xiàn)這類運動現(xiàn)象的出現(xiàn)與閾值功率 P₀ 相關(guān)，即：只有當吸收的激光峰值功率超過閾值功率時，金薄微板才會開始運動。為了深入理解這些現(xiàn)象背后的機理，該團隊進一步分析了金薄微板的波導模式，以解釋光誘導彈性波與摩擦力之間的相互作用，并揭示了摩擦力在不同階段對驅(qū)動行為的影響。2022年，Tang等[32]又進行了利用納秒脈沖激光在微納光纖表面操控二維拓撲絕緣體三碲化二銻（ Sb₂Te₃， ）復合薄微板的研究[圖3（d）]。在實驗中，他們不僅觀察到 Sb₂Te₃ 復合薄微板沿著微納光纖穩(wěn)定螺旋前進的運動，還發(fā)現(xiàn)由馬蘭戈尼效應導致的表面微凸起引發(fā)的類流體不對稱接觸角運動，這種新運動模式表現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)彈性波驅(qū)動的特征。實驗表明，相比于相同尺寸的金薄微板， Sb₂Te₃ 復合薄微板具有較輕的質(zhì)量、更大的熱膨脹系數(shù)和更低的熱導率。這些特性使其在被操控過程中展現(xiàn)出更高的驅(qū)動效率和獨特的運動模式，有助于光驅(qū)動微機電系統(tǒng)的材料設計優(yōu)化。

2022年，Lyu等[33]首次在微納光纖與金薄微板的接觸面上觀察到了金薄微板的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)運動［圖3（e]。研究發(fā)現(xiàn)光吸收的空間梯度分布和金薄微板兩翼不對稱性共同促成了面內(nèi)旋轉(zhuǎn)運動。結(jié)合此次的研究工作，Lyu等[28已經(jīng)在微納光纖上實現(xiàn)了對金薄微板沿軸向平移、旋轉(zhuǎn)、螺旋前進以及接觸面面內(nèi)旋轉(zhuǎn)等運動的操控[圖3（f]。為了更深入地理解其中的物理機制，2021年，Tang等[29]基于光-熱-彈性波理論建立了一個單點摩擦模型，對之前研究中通過全光操控微納物體的實驗現(xiàn)象進行了全面分析，展示了如何利用納秒脈沖激光引發(fā)的快速熱膨脹來克服干燥固體界面上的摩擦阻力，并利用加熱和冷卻的時間尺度不對稱性來累積凈滑動距離。該理論為光誘導彈性波在固體界面進行光學操控提供了指導，并為進一步的相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)。

采用全光操控技術(shù)在微納光纖表面操控金薄微板時，可以通過精細調(diào)節(jié)金薄微板和微納光纖的相對位置，或改變兩者的接觸方式，或利用光場梯度來調(diào)控金薄微板的運動模式[34]。例如：金薄微板沿微納光纖旋轉(zhuǎn)運動時，其兩翼需具有幾何不對稱性，且運動方向?qū)⒊蚨桃韨?cè)[30];沿微納光纖軸向平移運動時，金薄微板和微納光纖的接觸需具有不對稱性[31或光吸收分布存在不對稱性[2，這將分別導致金薄微板軸向平移到接觸側(cè)或強吸收側(cè)；旋轉(zhuǎn)和軸向平移的組合將產(chǎn)生螺旋運動；平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)運動時，金薄微板兩翼需具有幾何不對稱性且光吸收沿金薄微板與微納光纖接觸線方向呈梯度分布[33]。總而言之，結(jié)構(gòu)對稱性、光吸收分布、接觸方式、彈性波的傳輸損耗等都會為該結(jié)構(gòu)引入偏置，從而產(chǎn)生不同的操控效果。

基于該理論，全光操控不僅可在微納光纖表面實現(xiàn)微納物體操控，還可以在干燥固體平面上實現(xiàn)類似的操控。

2023年，Chen等[35利用飛秒脈沖激光在接觸界面激發(fā)光聲效應，在多種平面基底上實現(xiàn)了對二硒化釩（ VSe₂ ）[圖4（a）]和二硒化鈦（ TiSe₂ ）薄微板的操控。研究結(jié)果顯示，這些二維材料能夠在非流體環(huán)境中克服其與干燥固體界面之間強大的范德華力，從而在平面上移動。實驗中，通過光-熱-彈性波驅(qū)動機制產(chǎn)生的不對稱熱應力和表面聲波成為實現(xiàn)薄微板移動的關(guān)鍵因素。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，具有高吸收系數(shù)的二維半金屬材料有利于這種光學驅(qū)動的實現(xiàn)，其中VSe₂ 和 TiSe₂ 因其優(yōu)異的吸光特性被優(yōu)先選用。

2024年，Jia等成功在二氧化硅和硅平面基底上實現(xiàn)了對金薄微板及石墨薄微板的高精度多維操控。在實驗過程中，他們通過光熱轉(zhuǎn)換激發(fā)不對稱彈性波，實現(xiàn)了對薄微板的精準調(diào)控。研究證明，金薄微板[圖4（b）]和石墨薄微板[圖4（c）]都能在高空間分辨率下實現(xiàn)多向可控運動。該系列成果驗證了光-熱-彈性波理論在干燥固體界面實現(xiàn)全光操控的可行性，

3光-熱-沖擊理論

3.1 基本原理

相較于流體環(huán)境，微納物體位于干燥固體界面上時會遇到更大的阻力（微牛量級），此時，全光操控技術(shù)通常難以實現(xiàn)對微納物體的有效調(diào)控。物體的動量變化一定時，縮短力的作用時間可以產(chǎn)生更大的作用力，例如：爆炸、碰撞、沖擊等。基于這些現(xiàn)象，研究者考慮將脈沖光作用于微納物體。被吸收的光脈沖能量通過瞬間熱膨脹效應產(chǎn)生吉帕級熱應力，在物體內(nèi)部產(chǎn)生極大的瞬時載荷，從而在干燥固體界面上實現(xiàn)對微納物體的操控。該能量轉(zhuǎn)換和傳遞的過程被定義為光-熱-沖擊（photothermal-shock）理論。如圖5（a））所示，這個過程就像蛇類迅猛地撲向獵物一樣，快速而有力。

為了系統(tǒng)闡述光-熱-沖擊理論，Gu等[引入修正的Navier-Cauchy方程描述了干燥固體界面上微納物體的運動學特征，并結(jié)合平方-立方定律揭示了體積力和表面力在微納尺度上的影響。實驗采用時空局域化脈沖激光作為驅(qū)動源，微納物體吸收光子能量瞬間熱膨脹，產(chǎn)生內(nèi)部熱應力[38]。通過應力波釋放，最終可在干燥固體界面上實現(xiàn)對微納物體的精確操控。

當固體結(jié)構(gòu)的特征尺寸遠大于聲子平均自由程時，研究者可以忽略離散效應，采用連續(xù)介質(zhì)假設，并有效應用經(jīng)典彈性力學理論。在連續(xù)介質(zhì)框架下，微納尺度物體于干燥固體界面受驅(qū)運動時，其應力、應變及位移分布可通過表面應力與體應變的耦合關(guān)系進行表征，此時表面力可等效轉(zhuǎn)化為體積力進行建模分析[圖5（b）]。

對于微小應變的彈性體，考慮到熱應變而沒有外部力修正，其運動學特征可以通過修正后的Navier-Cauchy方程來描述

式中： ρ 為彈性體的密度； 為位移向量的二階時間導數(shù)（即加速度）； λ 為拉梅第一參數(shù)； μ 為剪切模量； 為位移向量； α 為線膨脹系數(shù)；K=λ+2μ/3 為體積模量； T 是待操控微納物體的溫度分布。

光熱梯度力 f_grad 可從內(nèi)部應力中導出，可描述為

式中， abla?u 可用線性熱膨脹近似表示為

式中， T₀ 是環(huán)境溫度。溫度梯度和位移的空間微分在數(shù)學上是相關(guān)的，溫度梯度的分布會影響材料內(nèi)部的應力變化。根據(jù)式（11），光熱梯度力在材料內(nèi)部會產(chǎn)生應力波動，因此可以被看作是一種體積力形式的波源，即

根據(jù)平方-立方定律，當物體的尺寸減小時，其體積（與體積力相關(guān)的量）以長度的三次方減小，而表面積（與表面力相關(guān)的量）則以長度的二次方減小。這意味著，在干燥固體界面上對微納物體的操控中，體積力的影響相對較小，表面力（摩擦力、黏附力等）成為影響物體運動的主要因素[39]

根據(jù)高斯散度定理，進一步可得

式中： 是研究對象的體積區(qū)域（待操控微納物體的整個體積區(qū)域）； dV 是體積元素，表示積分在 內(nèi)的每一個小體積元； 是 的邊界表面（此處特指微納物體與干燥界面的接觸面）； τ 是作用在界面上的力；dS是面積元素，表示積分在 上的每一個小面積元。對于固體材料，式（14）左邊對應來自內(nèi)部驅(qū)動力的體積力，而右邊則對應表面力。

當微納物體因光熱效應引起內(nèi)部熱量吸收分布不均勻時，其內(nèi)部將產(chǎn)生動態(tài)熱應力。利用脈沖激光的高度空間局域化及亞皮秒級時間響應特性，可在干燥固體界面激發(fā)高梯度瞬態(tài)光場。該光場通過熱彈效應誘導微納物體內(nèi)部應力分布重構(gòu)，這種時空精準可控的光熱耦合機制，為發(fā)展基于全光場調(diào)控的非接觸式微納操控技術(shù)提供了新途徑。

基于光-熱-沖擊理論，Gu等[4展示了一項創(chuàng)新技術(shù)——光熱沖鑷（photothermal-shocktweezers），并在干燥固體界面上實現(xiàn)了對金屬納米材料和納米機器人的運動操控。該系列研究從根本上解決了在干燥固體界面上操控微納物體時界面阻力的問題，將全光操控微納物體的研究領(lǐng)域從流體環(huán)境拓展到了干燥固體界面。

3.2基于光-熱-沖擊理論的研究進展

2021年，Linghu等[26基于光熱效應提出了類蚯蚓蠕動的運動機制，在微納光纖上對金納米線實現(xiàn)了低功率驅(qū)動（ 6.5μm?s^-1?mW^-1， 、亞納米級精度（ （0.56nm ）以及長距離（ 600μm 的操控[圖6（a）]，并觀察到了金納米線的自準直現(xiàn)象[圖6（b）]。他們對金納米線進行了一系列片上操作，如運輸、定位、定向和分類[圖6（c）]等。這些研究有助于提升片上操作的靈活性與功能性，為功能化光子器件的集成鋪平了道路，為復雜光子回路的設計和制造奠定了基礎(chǔ)。

2024 年，Gu等[3基于光熱沖鑷技術(shù)在微納光纖上實現(xiàn)了對鈀納米線的螺旋前進[圖6（d）]和原位旋轉(zhuǎn)［圖6（e）]的操控。他們通過實驗與理論模擬相結(jié)合的方法，解析了內(nèi)部熱應力的時空演化規(guī)律，驗證了其可作為直接驅(qū)動力的有效性，并驗證了表面力與體積力在熱彈耦合框架下的等效轉(zhuǎn)化關(guān)系。此項成果為發(fā)展普適性固態(tài)界面微納操控技術(shù)提供了理論框架與實驗基準。

基于光-熱-沖擊理論，研究者不僅在微納光纖上實現(xiàn)了對金屬納米線平移、原位旋轉(zhuǎn)、螺旋前進等運動的操控，還在干燥固體平面上實現(xiàn)了對微納物體多自由度的調(diào)控。

2023年，Gu等[40]基于光熱沖鑷技術(shù)，在干燥固體平面上對組裝的納米機器人進行了精準操控。利用這項技術(shù)，可實現(xiàn)類似傳統(tǒng)機器人的多自由度運動控制[圖7（a）]，包括頭部推擠，尾部搖擺和戳刺等動作。他們還利用機器人攜帶的硒化鎘（CdSe）納米線進行了原位濕度傳感。在該研究中，納米機器人同時實現(xiàn)了納米級步進精度、微瓦級驅(qū)動功率和納秒級響應時間。這項研究將納米機器人的應用范圍從流體環(huán)境拓展到了干燥固體界面，為其在納米制造、生物醫(yī)學和航天領(lǐng)域的應用開辟了新的可能性。

2024年，Zhu等[41]展示了一種名為水陸兩棲復合激光鑷的全光操控系統(tǒng)。該系統(tǒng)僅依靠單個連續(xù)波激光器，利用信號發(fā)生器或斬波器以短于物體內(nèi)部動態(tài)熱平衡時間的持續(xù)時間來調(diào)制激光。使得該系統(tǒng)能夠產(chǎn)生比傳統(tǒng)單光束光鑷高出6個數(shù)量級的強大熱梯度力，從而可在流體環(huán)境中和固體界面上實現(xiàn)對微納物體的連續(xù)操控。如圖7（b）所示，研究人員將基于連續(xù)波激光的傳統(tǒng)單光束光鑷與基于脈沖激光的光熱沖鑷緊密結(jié)合，在二氧化硅干燥固體平面上和空氣中實現(xiàn)了對金納米線的有效操控，拓展了光學操控的應用領(lǐng)域。

2024年，Shi等[42]基于光熱沖鑷技術(shù)，利用低至微瓦級的激發(fā)功率，在二氧化硅干燥固體平面上對二硫化鉬（ MoS₂"薄微片進行了高精度且無損傷的光學捕獲和精準運動控制[圖7（c）]，實現(xiàn)了 0.15nm 的平移分辨率和 0.0016^°"的旋轉(zhuǎn)分辨率。這項研究為納米光電子器件結(jié)構(gòu)和性能的動態(tài)調(diào)整提供了一種有效手段。

以上研究介紹了有關(guān)光-熱-沖擊理論在實驗基底、驅(qū)動材料、光源選擇以及理論建模等方面的最新進展，展示了該理論從基礎(chǔ)研究到實際應用的全面進步。基于光-熱-沖擊理論，研究者在干燥固體界面上對微納物體實現(xiàn)了精準操控[43]。

表1對在干燥固體界面上用全光操控技術(shù)和傳統(tǒng)方法操控微納物體運動的情況進行了比較，它展示了上述兩種理論的部分相關(guān)工作的操控精度和運動方式。相較于傳統(tǒng)接觸式操控，全光操控顯著提升了操控的精度與自由度，實現(xiàn)了角秒級的旋轉(zhuǎn)定位精度和亞納米級的平動定位精度。這些進展不僅突破了傳統(tǒng)單光束光鑷技術(shù)中由干燥固體界面摩擦力帶來的限制，還極大地提升了操控的精度和自由度，為功能性光子器件的集成提供了便利工具。此技術(shù)在納米制造、生物醫(yī)學工程、航空航天等眾多領(lǐng)域中顯示出了巨大的潛在應用價值。

4 其他理論

4.1 基底材料順反異構(gòu)化

2009年，Kausar等[44]在摻雜偶氮苯化合物的液晶薄膜上驅(qū)動了聚苯乙烯微球[圖8（a）]。當這些薄膜受到紫外光或可見光照射時，偶氮苯分子會發(fā)生順反異構(gòu)化。這種光誘導的分子結(jié)構(gòu)變化會導致薄膜內(nèi)部產(chǎn)生機械運動或形變，進而驅(qū)動位于薄膜表面的聚苯乙烯微球沿特定方向移動。

4.2接觸界面固液相變

2019年，Li等[45基于光熱門光子輕推（optothermally-gated photon nudging， OPN）理論，開發(fā)了一種新的微納物體操控技術(shù)。當激光束照射到膠體粒子上時，粒子吸收光能并將其轉(zhuǎn)化為熱能，導致局部溫度顯著升高。這種光熱效應可以觸發(fā)表面活性劑十六烷基三甲基氯化銨（cetyltrimethylammoniumchloride，CTAC）發(fā)生相變，即在高溫條件下，原本固態(tài)的CTAC層轉(zhuǎn)變?yōu)轭愐簯B(tài)[圖8（b）]。這一相變顯著降低了粒子與基底之間的摩擦力，使得粒子能夠在光學散射力的作用下被推動。

4.3基底快速膨脹沖擊微粒

2020年，Alam等[4基于光-熱-機械耦合理論，在由聚二甲基硅氧烷構(gòu)成的頂層柔性供體基底上，通過基底的快速膨脹驅(qū)動附著的粒子[圖8（c]。利用連續(xù)波激光器開啟瞬間產(chǎn)生的沖擊，使柔性基底表面突發(fā)性劇烈變形，從而將原本通過范德華力吸附的微粒彈射脫離。當微粒脫離基底后，其慣性運動主導垂直方向位移，同時聚焦光束產(chǎn)生的光學梯度力在橫向形成勢阱約束，最終實現(xiàn)微粒在接收基板上的亞微米級定位沉積。該研究展現(xiàn)了利用連續(xù)波激光在柔性基底上進行納米打印的技術(shù)可行性。

5 總結(jié)與展望

本文綜述了在干燥固體界面上進行微納物體全光操控的研究背景，重點探討了光-熱-彈性波理論和光-熱-沖擊理論及其優(yōu)勢。針對在干燥固體界面上實現(xiàn)微納物體全光操控所面臨的挑戰(zhàn)，本文介紹了幾種有效的解決方案：

1）利用短脈沖激光及加熱與冷卻時間尺度上的熱不對稱性，結(jié)合摩擦力進行驅(qū)動（光-熱-彈性波理論和光-熱-沖擊理論）；2）通過減少接觸面積或利用固液相變等方法減少摩擦力；3）應用特殊基底材料，如順反異構(gòu)化或光響應性材料等。

基于光-熱-彈性波理論，研究者在干燥固體界面上實現(xiàn)了對微納物體的全光操控。該技術(shù)依賴脈沖光熱作用激發(fā)彈性波與摩擦力的相互作用，其驅(qū)動方向由體系的不對稱性決定，而運動速度可通過調(diào)節(jié)脈沖激光的單脈沖能量和重復頻率進行主動調(diào)控。這為干燥固體界面上微納操控提供了新思路。然而，該理論側(cè)重彈性波與摩擦力的耦合機制，對驅(qū)動過程中熱效應的影響（如材料熱損傷）尚未深入分析，存在局限性。

光-熱-沖擊理論通過脈沖激光誘導光熱沖擊實現(xiàn)微納物體操控。研究者基于該理論提出并證實了體積力-表面力統(tǒng)一原理，從物理層面明確了光熱梯度力機理，闡明了以摩擦力為代表的表面力的作用機制，消除了傳統(tǒng)理論中的物理模糊性。這為瞬態(tài)光熱梯度力操控技術(shù)奠定了物理基礎(chǔ)，解決了納米摩擦學相關(guān)問題，并將納米馬達的應用場景從流體擴展至干燥固體界面。目前，該理論的應用對象主要集中在金屬材料及部分半導體材料，其對所有吸光材料的適用性還需要系統(tǒng)性的實驗驗證。

干燥固體界面上微納操控的研究仍處于實驗室探索階段，基礎(chǔ)理論研究尚未完善，多學科交叉融合也亟待加強。實際應用中，多微納物體并行操控和實時圖像監(jiān)測反饋等技術(shù)仍是當前主要短板。從科學研究到實際應用還需時間和技術(shù)的不斷積累。例如：通過人工智能技術(shù)實時調(diào)控光場參數(shù)，提升微納操控效率；開發(fā)基于超構(gòu)表面的亞波長光場調(diào)控器件，實現(xiàn)片上多焦點動態(tài)生成，支持多個微納物體全光并行操控；融合光-機-電多模態(tài)驅(qū)動機制，拓展應用場景。

在學科交叉融合趨勢下，光學操控技術(shù)正成為連接微觀機制與宏觀應用的橋梁。干燥固體界面微納全光操控技術(shù)將會有更廣泛的應用，它不僅將推動機械納米打印[46]、微型機器人[47]等工程技術(shù)的發(fā)展，還將促進先進納米器件[48-49]、激光器[50]、耦合器、干涉儀、諧振腔[51-52]等光子器件的性能優(yōu)化。未來，研究者可聚焦基礎(chǔ)理論攻堅以及技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新，為實現(xiàn)從單點研究突破到系統(tǒng)集成的跨越，為光子芯片精密制造及多學科融合提供核心支撐，最終實現(xiàn)光子芯片在量子計算、太空制造等諸多領(lǐng)域的顛覆性應用。

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（編輯：李曉莉）