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

華南理工大學蔣凌翔教授

近期，華南理工大學前沿軟物質學院蔣凌翔教授團隊與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，蔣凌翔提到：“某些特定的分子具有受熱發生液液相分離的特性，形成的兩相都是液體且含有大量水分，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，從而產生局部分解溫度，響應溶液熱點，從而產生單個光熱液滴。

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定相分離液體的形成、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，制作出高保真的微尺度液體動畫。

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

激光誘導液液相分離

圖 | 光熱相分離原理（來源：Advanced Materials）

整個研究最關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。照射的過程中會產生等離子體效應，定點加熱微液滴，產生局部的溫度差，誘導分子發生液液相分離。

圖 | 產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。激光由聲光偏轉板（Acousto Optical Deflectors，AOD）調制，通過擴束器擴展，聚焦在 60× 水浸物鏡的成像平面上。

據介紹，實現光熱液液相分離的關鍵是光學技術。該技術可以在 100×100μm2 的工作場中偏轉單個高頻激光束（高達100kHz），產生高達 2500 個焦點，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界溶液溫度（LCST）體系開展實驗

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

液液相分離的過程中會達到高臨界溶液溫度（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，強烈的分子間相互作用（如氫鍵）導致混合焓為負，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構（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時間下實現液液相分離。

用激光束控制微液滴排列 將光能轉化為熱能

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生不同的形狀與圖案，如點、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，把光能轉換為熱能，控制光熱相分離液體產生相應圖案。

液滴隨著熱場的分布排列成不同的復雜圖案，以形成的“熊貓抱竹”圖案為例，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生的“化繭成蝶”液體動畫（來源：Advanced Materials）

研究團隊運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，繪制出“化繭成蝶”的全過程液體動畫（由毛毛蟲蛻變為蟲繭和蝴蝶）。

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

基于上述應用，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微液滴的運動行為圖案，將樂曲的可視化動態效果展現給聽眾。

最后，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空間可調控的模擬生物微觀反應生物系統，加強級聯酶促反應，起到催化劑的作用。

應用于微電子與細胞生物學領域

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生影響。

例如，液體繪畫可以通過引入交聯單體進行固化，從而使液液相分離產生永久結構。

含有濃縮電解質的液型可作為通向液回路的可重構導線，產生固有的非平衡系統。激光照射連續輸入的能量可以驅動液滴內外對流，有可能在更大的范圍內引導流體流動。

這種光熱轉化策略可以使活細胞實驗達到亞細胞精度，通過工程細胞表達熱敏蛋白，并將其培養在具有金涂層的培養基基底上。

“雖然激光聚焦技術已被常規用于操縱固體顆粒或微加工固體材料，但在信息加密、載荷傳輸和反應定位方面具有功能復雜性。我們期望它能進一步應用于生物分子凝聚的亞細胞組織和非平衡系統的可編程調制等場景。”蔣凌翔說。

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