纳米级胶体和材料的 “静态并行操纵” 是机械工程与材料力学范畴的一个严重应战。当粒子小于 100 纳米甚至更小时，声辐射力随粒径的下降衰减很是之快，小到布朗活动即可以将排布的颗粒侵扰。

在此项工作中，声电纳米镊子连系电学镊子的稳定性及声学镊子的静态可控上风，实现了低于 100 纳米的粒子静态和大范围并行操控。

克日，由杜克大学机械工程与材料科学系黄俊教授担任通讯作者，博士后张沛然和博士生约瑟夫・鲁福（Joseph Rufo）担任配合第一作者的论文颁发在 Nature Communications 杂志上。

图｜张沛然（来历：受访者）

论文题目为《声电纳米镊技术可以实现对纳米材料的静态和大范围控制》（Acoustoelectronic nanotweezers enable dynamic and large-scale control of nanomaterials）。

图｜相关论文（来历：Nature Communications）

该研讨指出一种连系电场与声场上风的 AENT（Acoustoelectronic Nanotweezers，声电纳米镊子），可以实现对 100 纳米以下的粒子大范围并行、静态操纵。同时， AENT 可以在宏观标准上对纳米物体停止切确、多功用静态操纵，如传输、富集、偏向、图案叠加及分拣。

今朝，相关范畴内几近一切的纳米操控装配系于光学概念，但这类方式有较多的缺点。

比方，由于它们都需要一个在结尾聚焦的镜头构成聚焦光斑；这使得光学纳米镊的工作地区很是小，可控区间大多仅为几百微米。同时，由于光束具有聚焦的特征，在聚焦光斑处会发生很高的热量，使其能够对被操控的纳米材料有光－热损伤。

除典范光学纳米镊之外，还有一些基于光学道理的衍生技术，如经过激光引诱金属微纳结构的等离子体近场效应，在低能量密度条件下实现对纳米粒子的稳定捕捉（甚至可捕捉单个卵白质颗粒）；但因其金属微纳结构被加工后没法自在移动，没法实现纳米颗粒的静态操控。

张沛然向 DeepTech 暗示，我们想找一种与光场一样的静态可调的长程物理场去操控纳米颗粒；同时，这类物理场的能量密度要充足低，可以保证无损操控。

除了光，最有潜力的即是声，由于经过干与我们可以轻易构建一个全局可调的声场来操控纳米颗粒。但是，声的缺点也比力明显：声波在流体中传布之时固有地会构成一种声致流体扰动，简称声流，这类扰动会破坏纳米颗粒图案。

是以，能不能找到一种具有低布景扰动，同时连结大标准静态纳米操控潜力的声学机制相当重要。

可对 100nm 以下粒子大范围并行、静态操控

按照黄俊研讨团队的计较成果，当粒子小于 100 纳米甚至更小时，声辐射力衰减的很是快，小到布朗活动便可以把捕捉的颗粒侵扰掉。

张沛然向 DeepTech 暗示，为了实现稳定的纳米操控，战略上他们没有挑选用声场自己的声辐射力停止纳米操控，而是挑选用寄生在声波上面的电场来操控纳米颗粒。

当声波在压电晶片概况传布时，在某一时辰因压电效应，晶片概况瞬时微形变上方会发生瞬时寄生电荷，进而在流体介质中会构成瞬时电场；基于声波的振动特征，在长时候标准下，流体介质中构成同频的交换电场，使得晶片概况四周的电中性纳米颗粒被极化，进而被移动至电场中的平衡位置。

基于此道理，黄俊团队在压电材料晶片概况加工了数个数字超声换能器；经过超声换能器的振动发生概况声波，操纵声的传布特征和干与特征，构成预定的电场散布和纳米图案。

图｜声电纳米镊子（AENT）的工作道理（来历：Nature Communications）

为了进步纳米操控的稳定性，他们首要聚焦两个方面。一是若何将布景流体内声流扰动完全消除，二是若何尽能够进步电场的强度。

经过对声波振动形式的优化，他们消除了声波向流体内传布的成份，同时增强了在晶片概况内侧传布的振幅。此项关键改良使压电晶片上方的流体介质中的扰动降至最低，同时使寄生电场的强度和相关电学力到达最高，实现了极具稳定性的纳米操控。

基于此向改良，声电纳米操控机制实现了极小（10 纳米以下）的纳米材料的操控，如 DNA（2.5 纳米）、多糖（1.4 纳米）、量子点（7 纳米）和卵白质（3.5 纳米）等。

切确控制纳米粒子是很多新兴技术的关键才能。例如，将外泌体和其他细小的生物纳米颗粒从血液平分手出来，可以实现新型诊断测试，用于肿瘤和神经退行性疾病的早期检测。

黄俊暗示，未来我们将进一步下降声电纳米镊的分辨率直至单份子水平。同时，进一步扩大尝试装配的工作地区，以操控和加工米级标准的纳米图案。经过这些改良，用户可以快速加工含特定切确纳米排布图案的宏观材料、并实现史无前例的新功用。

图｜纳米粒子操纵表示图（来历：Nature Communications）

张沛然也从另个一角度简单做了论述。当某些小于 100 纳米大概 10 纳米的纳米材料停止了一定的空间有序排布，它们会构成一种宏观的特别性能，比如木头中慎密排列的纤维素，拉在一路后会构成一种既简便，又很坚固的材料。一样的纤维素束被打坏后，结构被破坏，可被制成柔嫩易碎的宣纸。

从纳米材料研讨自己来说，现在很少有技术可以间接操控纳米粒子；同时，对一些纳米标准材料的表征是受限的。

“除了加工大标准的纳米材料，我们的技术为‘若何在纳米标准上间接操控这些材料’供给了一个抓手，有助于对后续纳米材料表征的研讨。比如，可以观察，两个卵白质纳米颗粒之间的结协力水平若何？道理若何？我以为未来在我们平台有能够实现，也具有很大的设想空间。” 张沛然对 DeepTech 说。

无需标志且静态可调，可稳定操控直径为 1.4nm 的多糖

AENT 最大的亮点是，用很是简单的装配实现出格大标准的纳米材料操控，而且静态可调。只需经过调理声波幅度、频次或相位等参数，即可在厘米标准停止一个静态的调控，这是之前几近一切技术都做不到的。

另一个亮点是，张沛然研讨团队可以将操控的粒子半径做到充足小，在某些极端情况下，可以稳定操控直径约为 1.4nm 的葡聚糖，无需标志且静态可调。

图｜经过声电纳米镊子操纵各类纳米材料和大份子（来历：Nature Communications）

张沛然向 DeepTech 暗示，之前也有相关团队做过类似研讨，但与我们的尝试道理分歧。

之前同类研讨的焦点逻辑是：在液体里面，把粒子用概况活性剂停止电荷标志，然后操纵溶液中光致热 - 电场停止纳米操控。别的一个较为典范的道理是，操纵类似于投影仪里面的微型数字镜阵阵列，将光学图案投影于二极管阵列基片上，在基片概况构成电场图案并停止纳米操控。

这两种道理都存在一定的缺点。比如，第一种道理必须对粒子停止标志；第二种道理需要一个相对复杂的装备，最为重要的是，没有真正实现 10 纳米以下的粒子操控。

相比很多光学操控的纳米粒子研讨而言，张沛然团队研讨的声电纳米镊子标准很是之大，只要把超声换能器做的充足大，便可以实现声电夹杂场在厘米地区内的传布、干与，进而构成宏观标准的纳米图案。

“但是，若何将可操控最小粒子的半径继续减小，紧缩到单份子水平，同时将厘米级放大到几十厘米升至米级，这是我们今朝面临的首要应战。假如冲破这方面的限制，我们可以进一步加工出一些很是有用的二维结构。” 张沛然告诉 DeepTech。

假如该研讨获得严重冲破，将会为相关范畴带来三方面改变：

第一，可以实现很是宏观标准纳米材料的加工，并实现史无前例的特别功用。

第二，假如操控做的充足切确，可以研讨纳米标准相关的物理性质，比如说两个纳米材料之间的结协力等。

第三，在生物医药范畴，可以停止单份子操控大概是单个酶的操控，这些对很多仪器的开辟很有帮助，比如纳米孔测序等。

张沛然向 DeepTech 暗示，今朝而言，声电纳米镊子的研讨对加工有纳米图案的宏观材料很是有帮助，今朝很多新兴技术都有加工有纳米排布图案的宏观材料需求。

谈及未来 3-5 年利用落地时，张沛然称该利用离大范围贸易化还有一段间隔，我们今朝还处在机制研发的阶段，燃眉之急是先将机制打磨好，然后再扩大到宏观生产中。

以终为始，摸索在三维空间内对纳米材料停止邃密操控

从国际化视角来看，纳米操控这个比力细分范畴中仍存在很多难以冲破的瓶颈，诸多技术在分歧方面都有很大范围性，至今还没有一个很普适的操纵技术。

张沛然向 DeepTech 暗示，我们的研讨也有一些缺点，比如纳米粒子需要在低导电性的液体情况中工作，这样对某些范畴的研讨有一定优势。比如，当研讨触及复杂生物样本时，比如未稀释的血液，其导电性比力高，其中的纳米难以被操控。

同时，很多生物材料对 PH 值都比力敏感，是以它们相对需要一定的离子强度，合适的 PH 值才能展现一般功用。我们今朝研讨首要范围于这些非生物，大概没那末敏感的生物材料。

总而言之，今朝很多机制大部分夹杂多种物理场，连系分歧物理场的特定上风，它们的利用空间都比力特定，至今没有出现一个普适的纳米操控技术。

值得留意的是，黄俊教授团队已经做到很小的单份子群的排布，可是还没有观察到只操控一个份子的情况，是以他们希望下一步将针对单份子的操控稳定性进步到一定水平。

他们以为未来在三个偏向还有提升的空间：

第一，若何将精度进一步进步，做到单份子精度的操控。

第二，把工作地区的标准继续扩大，间接加工宏观材料，而且利用到现实生活中。

第三，今朝仅是在一个压电材料概况去缔造静态电场，未来尝试连系其他的工程结构，冲破二维的限制，能否实现三维的电场操控，在三维空间内对纳米材料停止邃密操控，加工具有空间纳米排布的三维材料。

“螺旋式” 进步的科研之路，离不开良师指路

张沛然向 DeepTech 暗示，在开辟声电纳米镊子的进程中，理论和理论是慎密连系的，缺一不成。

科研之路偶然会有 “柳暗花明又一村” 之感，但更多的是仔细斟酌后又发现离成功甚远，挫折与成功相辅相生，直至终极的开悟。用一句话概括 “科学研讨，彷佛是一个螺旋式进步的进程”。

谈及若何面临科研进程中碰到的挫折和困难时，张沛然向 DeepTech 暗示，自己一般会采纳暴力测试或暴力计较的战略，仔细斟酌一切的能够性，分析其中的缘由，然后找出相关线索并整理，继续停止下一个周期的迭代。

假照实在找不到缘由，他会谦虚领导师就教。“在异国异乡的科研生活中，黄俊教授赐与我很多指导和帮助。就该篇论文而言，黄俊教授也供给了关键的支持”，张沛然告诉 DeepTech。

该论文的通讯作者黄俊暗示，未来我们将进一步扩大尝试装配的工作地区，以操控和加工米级标准的纳米图案。经过这些改良，用户可以快速加工含特定切确纳米排布图案的宏观材料、并实现史无前例的新功用。

图｜黄俊（来历：受访者）

“我们相信这项技术将使很多重要范畴收益，包括纳米药剂研讨、纳米电子装备加工、纳米自组装及可穿着电子装备制造等热门偏向。”