用激光操控微液滴定向運動繪製出熊貓圖案、將音樂(le) 信號轉換成液滴運動...這一係列現象聽起來有些不可思議。

華南理工大學蔣淩翔教授

近期，華南理工大學前沿軟物質學院蔣淩翔教授團隊與(yu) 暨南大學納米光子學研究院李宇超副教授團隊合作利用光-熱-力多物理場耦合成功實現了相分離微液滴的高時空精度操控。

談及實驗的基本原理，蔣淩翔提到：“某些特定的分子具有受熱發生液液相分離的特性，形成的兩(liang) 相都是液體(ti) 且含有大量水分，其中一相含有更多溶質，另一相含有溶質較少。”

實驗過程中，研究人員將激光聚焦在金膜上，從(cong) 而產(chan) 生局部分解溫度，響應溶液熱點，從(cong) 而產(chan) 生單個(ge) 光熱液滴。

穩定的熱場確保空間精度能夠達到 1μm，快速的加熱和響應速度確保時間精度維持在 0.1 秒。

運用激光聚焦技術可根據需要決(jue) 定相分離液體(ti) 的形成、溶解、定位、成型和動態重構。研究人員進一步編程激光聚焦微液滴，用時間連續的方式編排微液滴圖案，製作出高保真的微尺度液體(ti) 動畫。

相關(guan) 論文以《具有時空精度和功能複雜性的光熱可編程液體(ti) 》（Optothermally programmable liquids with spatiotemporal precision and functional complexity）為(wei) 題，發表於(yu)  Advanced Materials 雜誌，並列第一作者是暨南大學博士後陳熙熙、武田麗(li) 和碩士黃丹敏。

激光誘導液液相分離

圖 | 光熱相分離原理（來源：Advanced Materials）

整個(ge) 研究最關(guan) 鍵的步驟是用溫度誘導液液相進行分離，采用將激光照射在金膜上的方法進行加熱。照射的過程中會(hui) 產(chan) 生等離子體(ti) 效應，定點加熱微液滴，產(chan) 生局部的溫度差，誘導分子發生液液相分離。

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

實驗使用的裝置包括一台倒置熒光顯微鏡和掃描光係統。激光由聲光偏轉板（Acousto Optical Deflectors，AOD）調製，通過擴束器擴展，聚焦在 60× 水浸物鏡的成像平麵上。

據介紹，實現光熱液液相分離的關(guan) 鍵是光學技術。該技術可以在 100×100μm2 的工作場中偏轉單個(ge) 高頻激光束（高達100kHz），產(chan) 生高達 2500 個(ge) 焦點，用白光 LED 光源進行熒光激發。

熒光圖像使用綠色熒光濾鏡或紅色熒光濾鏡進行拍攝，用高速相機和彩色相機記錄。

選取具有代表性的低臨(lin) 界溶液溫度（LCST）體(ti) 係開展實驗

圖 | UCST 和 LCST 係統原理圖（來源：Advanced Materials）

液液相分離的過程中會(hui) 達到高臨(lin) 界溶液溫度（UCST，upper critical solution temperature）與(yu) 低臨(lin) 界溶液溫度（LCST，lower critical solution temperature）。

在較低的溫度下，強烈的分子間相互作用（如氫鍵）導致混合焓為(wei) 負，並在兩(liang) 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，並且需要付出一定熵代價(jia) 。

當加熱到臨(lin) 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動相分離。

圖 | 實驗中選取的低臨(lin) 界溶液體(ti) 係（來源：Advanced Materials）

圖 | 低臨(lin) 界溶液溫度體(ti) 係組分結構（來源：Advanced Materials）

低臨(lin) 界溶液溫度已在多種聚合物或小分子體(ti) 係中被觀察到。

此次的光熱實驗選取 7 個(ge) 具有代表性的 LCST 體(ti) 係進行，由小分子、合成聚電解質、蛋白質組成，在不同的激光束溫度與(yu) 時間下實現液液相分離。

用激光束控製微液滴排列 將光能轉化為(wei) 熱能

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

液體(ti) 具有表麵張力，會(hui) 維持自身的形狀，因此難以控製，利用激光光斑的排列可使液體(ti) 產(chan) 生不同的形狀與(yu) 圖案，如點、線性、圓形、三角形和方形液滴等。

具體(ti) 來講，研究人員通過控製激光的分布與(yu) 功率等參數，把光能轉換為(wei) 熱能，控製光熱相分離液體(ti) 產(chan) 生相應圖案。

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

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

研究團隊運用液滴的受力與(yu) 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動、重組，成功達到動態重構的目的，實現了可編程化精確操控。

在激光的動態、精準操控下，液滴有序排列，繪製出“化繭成蝶”的全過程液體(ti) 動畫（由毛毛蟲蛻變為(wei) 蟲繭和蝴蝶）。

圖 | 微液滴呈現音樂(le) 可視化的效果、構造仿生微反應器（來源：Advanced Materials）

基於(yu) 上述應用，研究團隊深挖可編程微液滴的其它應用場景。音頻信息順利轉化成為(wei) 微液滴的運動行為(wei) 圖案，將樂(le) 曲的可視化動態效果展現給聽眾(zhong) 。

最後，團隊實現了蛋白質、染料分子等多種微觀樣品之中的微液滴定點富集、運輸等，還利用微液滴重組出時間與(yu) 空間可調控的模擬生物微觀反應生物係統，加強級聯酶促反應，起到催化劑的作用。

應用於(yu) 微電子與(yu) 細胞生物學領域

液液相分離技術將能夠在微電子、非平衡物理和細胞生物學等領域產(chan) 生影響。

例如，液體(ti) 繪畫可以通過引入交聯單體(ti) 進行固化，從(cong) 而使液液相分離產(chan) 生永久結構。

含有濃縮電解質的液型可作為(wei) 通向液回路的可重構導線，產(chan) 生固有的非平衡係統。激光照射連續輸入的能量可以驅動液滴內(nei) 外對流，有可能在更大的範圍內(nei) 引導流體(ti) 流動。

這種光熱轉化策略可以使活細胞實驗達到亞(ya) 細胞精度，通過工程細胞表達熱敏蛋白，並將其培養(yang) 在具有金塗層的培養(yang) 基基底上。

“雖然激光聚焦技術已被常規用於(yu) 操縱固體(ti) 顆粒或微加工固體(ti) 材料，但在信息加密、載荷傳(chuan) 輸和反應定位方麵具有功能複雜性。我們(men) 期望它能進一步應用於(yu) 生物分子凝聚的亞(ya) 細胞組織和非平衡係統的可編程調製等場景。”蔣淩翔說。

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