近日，李志远教授团队和合作者提出了一种利用光致Lamb波在空气中对微米级颗粒进行大通量操控的光声图案化方法。相关成果以“Programmable Photoacoustic Patterning of Microparticles in Air”为题发表于国际重要期刊Nature Communications，博士研究生张若钦为第一作者，华南理工大学为第一单位。
直到恩斯特·克莱德尼（Ernst Florens Friedrich Chladni）使用克莱尼板演示声波对颗粒的排布、阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）使用激光聚焦光束实现对颗粒的捕获，人类才意识到光和声音不只是感知世界的媒介。而后，“光镊”与“声镊”技术次第诞生。这两种非接触操控技术各有优劣，如果能够做到取长补短，既如同“光镊”一样灵活，又能拥有“声镊”的操控性能，将更有利于非接触操控技术的发展。
因此，合作团队提出了名为空气中微粒的可编程光声图案化方法（Programable
photoacoustic patterning of microparticles in air, PPAP）。这种方法利用了光声效应和芯片尺度级别的Lamb波，确实地统合了全息“光镊”技术以及声表面波“声镊”技术的优势，将光学方法的高空间分辨率、高时间刷新频率和声学方法的高生物适应性、高操控能力整合在一起。
图1 可编程光声图案化系统的示意图和弹性波的传播。(a) 系统的示意图。经过DMD调制的脉冲激光束照射到TiN-钢-石墨膜上从而引发局部光声效应。(b) 仿真模拟的光声效应引起的弹性波传播的时空图。(c) 实验测量的弹性波传播的时空图。
合作团队利用可编程光声图案化方法，实现了两种不同类型图案的排列。一种是将线条部分的颗粒移走的阴文图案；一种是移走背景上的颗粒，保留线条上的颗粒的阳文图案。阴文图案的成型相对直接，多层薄膜上平铺的颗粒会排列成与激光图案相似的分布。图2(a)是激光的图案，图2(b)显示的是多层薄膜对应的变形。可以看出，激光图案的每条曲线都在多层薄膜上造成一个条纹中心区域的凹陷和条纹两侧的凸起。凸起对应着没有颗粒的黑线条，凹陷对应着颗粒聚集的白线条。黑-白-黑的线条构成了清晰的猪八戒阴文图案，如图2(c)所示。
图2 阴文图案的颗粒排布。(a) 镇定的猪八戒样式的目标图像。(b) 激光脉冲照射2 μs后在z方向上获得的多层膜的振动位移场；(c) 与镇定的猪八戒样式图案相对应的图案化颗粒的照片。
想把颗粒排布成阳文样式的图案则需要额外的步骤。以图3(a)所示的木棉花图案为例，我们需要去除掉绿色区域内的颗粒，保留构成花朵轮廓的白色区域的颗粒。
为了实现图3(b)所示的颗粒排布成的木棉花阳文图案，DMD需要以10 fps的速率动态地播放1152帧提前设计的图案。激光系统发射的激光脉冲与图案序列同步。1152帧图像中，前576帧用于去除木棉花图案的外部背景中的颗粒，如图3(c-d)所示；剩余的576帧用于将颗粒从内部运输到其轮廓上，如图3(e-f)所示。颗粒如同水浪一般被声表面波带到了不同的地方。大约两分钟后，剩下的颗粒构成了如图3(b)所示的木棉花阳文图案。
图3 木棉花阳文图案化。(a) 木棉花目标图像。(b) 花朵阳文图案化排布的最终结果。(c) 外部区域图案化过程其中的三帧。我们模糊了某些线条，以突出第一帧最内层线条的演变轨迹。(d) 去除花朵外部区域颗粒的过程。(e) 内部区域图案化过程其中的三帧。(f) 花朵内部区域颗粒的图案化进程。
结论与展望
合作团队提出了一种名为PPAP的可编程的“光声镊”平台。这种方法利用了光声效应和芯片尺度级别的Lamb波，能够将“全息光镊”的灵活性与“声表面波声镊”的强大操控性相结合。借助DMD与脉冲激光，合作团队能够在多层薄膜上构筑可编程的声表面波分布。声表面波能够排布平铺于多层薄膜上的二氧化硅颗粒。固定的激光图案可以将颗粒排布成阴文图案；激光的图案快速和连续地变化可以让颗粒在多层薄膜上动态地流动，进而排布成阳文图案。
相关成果链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-47631-8
（图文/李志远课题组）
