背景介绍

借助光来操纵微纳颗粒是一种非常方便快捷的手段，在原子物理，微纳光学，纳米组装，生命科学等领域具有重要的应用价值。这种操控方式主要依靠光学力或光热效应所产生的力，但是这种作用力非常小（~pN）且速度很慢，这就使得这种操控方式大都局限于液体或者半液体的环境中。另一种手段是利用脉冲激光辐照金属薄膜，因库伦爆炸溅射出纳米颗粒，这样就可以在空气中实现纳米颗粒的转移。但是这种方法只适用于金属的面外转移，其普适性有很大的限制，而且需要使用精准的纳米定位仪和飞秒激光器，这些都加大了这种操控的技术成本。

成果简介

基于上述问题，武汉大学物理科学与技术学院丁涛教授课题组设计制备出了Au@C₆₀等离激元复合纳米颗粒，在无液体环境中可以作为一个强大的纳米引擎为纳米以及微米尺寸物体的移动提供动力源泉。这种Au@C₆₀核壳结构的纳米颗粒在连续激光照射下产生高额的热量，同时等离激元热点区域的电场增强促进了C₆₀的光化学氧化，这导致在极短时间内在复合颗粒内部产生较高压强的CO₂气体，最终导致Au核喷射出去，喷射距离可以达到几百纳米甚至几微米，颗粒的喷射初速度约为300 m/s。为了展示这种纳米爆炸的威力，他们将这些纳米复合颗粒填充到紧密排列的阳极氧化铝孔道中，通过激光触发，可以移动阳极氧化铝模板上的SiO₂微球，单次辐照移动可达2 ，通过多次辐照可以不断驱动SiO₂微球在固体表面上运动，且具有一定的方向可控性。相关工作以论文的形式公开发表在国际著名期刊《ACS Nano》上（DOI: 10.1021/acsnano.2c02402），该研究还得到土木学院刘泽教授课题组支持和帮助。

图文导读

首先他们利用异相成核生长的方式得到Au@C₆₀核壳纳米颗粒，颗粒的尺寸为160±15 nm，如图1A所示。使用641 nm波长的连续激光照射这些Au@C₆₀纳米颗粒仅需要1 mW的辐照功率在 1 s内就可以将Au纳米颗粒从C₆₀的包覆壳中喷射出去（图1B,C）， 喷射距离随着辐照功率的增加而增大（图1D）。显然，Au纳米颗粒的喷射速度非常快，根据推测，这是由于在Au@C₆₀纳米颗粒的内部短时间产生了大量的气体，同时颗粒内部温度也快速升高，使得颗粒内部在短时间内积聚了巨大的压强。

图1.（A）Au@C₆₀核壳纳米颗粒的SEM图，插图为其尺寸统计分布图。（B）使用641 nm波长连续激光照射Au@C₆₀纳米颗粒的示意图。（C）641 nm连续激光照射1 s前后纳米颗粒的散射光谱变化，插图为照射前后纳米颗粒对应的SEM图像。（D）金纳米颗粒喷射距离与辐照功率的依赖关系图。

为证实该氧化过程在此喷射过程中的关键作用，他们将Au@C₆₀纳米颗粒通过旋涂的方式包埋在二氧化钛薄膜中。在此情况下，由于氧气被隔绝，光氧化的效率变得非常低，C₆₀壳层在光照下发生碳化，拉曼峰明显展宽（图2A）。于是Au纳米颗粒在照射之后没有发生喷射，而是在表面张力的作用下发生了一定的位移，如图2B所示。

图2.（A）Au@C₆₀纳米颗粒激光照射前后的拉曼光谱变化。（B）二氧化钛薄膜里的Au@C₆₀纳米颗粒在2 mW功率的641 nm激光照射前后SEM图。

他们进一步将这种Au@C₆₀核壳纳米颗粒通过抽滤的方法载入到阳极氧化铝（AAO）模板的孔隙中，随后将微米级的SiO₂小球滴涂至AAO模板表面作为被搬运物。最后，使用激光照射SiO₂小球下的Au@C₆₀纳米颗粒使其喷射出Au核以推动SiO₂小球运动（图3A）。SiO₂小球可以被推动约为2 μm的距离，同时在原位留下一个剩余的C₆₀壳层（如图3D）。

图3. （A）激光照射Au@C₆₀纳米颗粒驱动SiO₂微球运动示意图。（B）Au@C₆₀纳米颗粒填充至AAO模板孔隙。（C）SiO₂小球滴涂至AAO模板之上。（D）激光触发Au@C₆₀纳米颗粒喷射驱动SiO₂微球移动。

因为整个AAO模板的孔道里都填满了Au@C₆₀纳米颗粒，所以可以通过多次辐照连续驱动SiO₂小球移动，如图4所示。

图4. 光学触发Au@C₆₀纳米炸药长程驱动二氧化硅微球在AAO表面运动。

这种光学可触发的纳米“炸药”可以作为纳米机器的动力源泉，实现不同类型的纳米驱动，对纳米力学以及MEMS等领域于具有重要借鉴意义。

参考文献

作者简介

丁涛博士2011年毕业于中国科学院化学研究所光化学重点实验室，物理化学专业。随后在2011.9.-2013.10和2013.11.-2017.8.分别于新加坡南洋理工大学和英国剑桥大学从事博士后科学研究。2017年入选国家高层次海外青年人才项目，入职于武汉大学物理科学与技术学院，聘为教授博导。丁涛博士长期从事纳米光子材料与技术方面的研究，截止目前，以第一或通讯作者在Sci. Adv. PNAS, Adv. Mater., JACS, ACS Nano等国际一流期刊发表论文70余篇。他在等离激元诱导材料精确可控生长、等离激元调控、光学驱动等方面取得了一系列成果，并在此基础上开发了基于光学手段调控等离激元的新方法，着眼于通过纳米光场来调控物质生长和组装的新思路。

课题组详情请参见：http://202.114.78.174/pmt/