中国科学技术大学与新加坡国立大学联合研发新型三维光学扳手，实现微粒动态旋转操控
时间：2025-01-18 01:00
小编：小世评选
近日，中国科学技术大学光学与光学工程系副教授龚雷带领的研究团队，与新加坡国立大学教授仇成伟的课题组共同研发出一种新型光学微操控工具——三维光学扳手。这项突破性的技术能够实现对微粒（例如细胞）的动态旋转操控，标志着光学镊技术的重大进展。
光学扳手的工作原理
光学扳手的核心机制是利用聚焦的激光光束，施加三维可控的光力矩，以实现对微观粒子的精确操控。光学镊，最早由美国科学家阿瑟·阿什金于1986年发明，已成为研究生物分子、细胞等微观世界的重要工具。通过这种技术，科学家能够抓取并操纵单个分子、病毒和细胞等物体，实现光的动量传递。传统的光学操控方法在施加旋转扭矩的方向上存在限制，通常只能沿着光轴方向操作。
在之前的研究中，物理学家Halina Rubinsztein-Dunlop团队通过对光束的调整实现了光场的横向自旋及横向力矩，从而驱动微粒的横轴转动。但仍然存在无法实现全面的三维旋转操控的限制。为了解决这一问题，中国科学技术大学的研究团队深入探讨了聚焦光场的三维自旋角动量调控方法，提出了量化光扭矩效应的理论模型，从而实现了通过单个调制光束来操控微粒在不同时间沿着指定的三维转轴进行连续旋转。
三维光学扳手的创新与应用
这项新技术被称为“三维光学扳手”，其最大亮点在于能够实现激光对微粒的全自由度操控。通过调制光束，科学家们不仅延续了传统光镊的功能，还拓展到了三维平移与转动的综合操控。这种结合，使得微粒的操控更加灵活，并在生物医学和材料科学等领域具有广泛的应用潜力。
在实际应用中，研究团队成功利用三维光学扳手实现了活体细胞的三维旋转操控。这一成果为生物医学研究带来了新途径，能够更深入地探究细胞间的相互作用、细胞运动机制和生物物理学现象等。同时，该技术的灵活性使得科学家们可以在更复杂的实验条件下进行研究，这对制药和疾病治疗的发展也具有重要意义。
未来的研究方向
随着三维光学扳手的问世，未来的研究方向将集中在如何进一步提升其精确度和应用范围上。研究团队计划深入探索光场和微粒之间的相互作用机制，提升操控的细致程度。他们还将尝试将该技术与其他前沿科技结合，比如纳米技术和生物工程，从而推动更具创新性的实验方案。
国际学术期刊《自然・通讯》于2025年1月11日在线发表了相关研究成果，进一步证明了这项技术在学术界的影响力，论文题目为“Time-varying 3D optical torque via a single beam”。研究团队希望，通过这项技术，能够为光学科学的相关研究提供更多的思路和方法，推动整体科学技术的进步。
中国科学技术大学与新加坡国立大学的合作研发三维光学扳手，为光学技术开辟了新的可能性。这项技术不仅在基本科研中具有重要作用，也在应用领域展现了广阔的前景。随着科学的不断发展，这种新型光学操控工具有望在多个领域中发挥更大的作用，助力科学探索的步伐。
