同济团队突破纳米颗粒分选极限-基于环形极子响应的介电超表面近场光镊

近日，同济大学物理科学与工程学院传来喜讯，王占山教授、程鑫彬教授和施宇智教授团队在纳米颗粒分选领域取得了重大突破。他们成功研发出一种基于环形极子响应的介电超表面近场光镊，实现了对纳米颗粒的超高精度分选。相关研究成果已在Small Science期刊上发表，并荣登封面文章。

纳米颗粒在物理、生物、医学、催化和化妆品等领域具有广泛应用，其尺寸对物理和化学性质有着显著影响。然而，现有的纳米颗粒分选手段在介电纳米颗粒的分选中，尺寸和分辨率极限分别约为20纳米和10纳米，进一步突破这一极限面临巨大挑战。

同济大学团队所研发的介电超表面近场光镊，巧妙地利用了超表面的独特性质。超表面是一种人工设计的纳米结构，通过精确控制其几何形状和电磁学特性，可以对光的传播和转换进行高度定制化的调控。当激光垂直照射在对称性破缺的介电超表面时，会激发出环形共振响应，电场被局限在数十纳米的热点区域，从而突破衍射光学极限，实现对极小尺寸颗粒的精准捕获和分选。

实验结果显示，该近场光镊在波长为1550纳米时，能够形成四个约十纳米左右的局域热点。在这些热点中，纳米颗粒受到光场梯度主导的梯度力作用，倾向于被捕获。通过调整激光功率，该光镊能够捕获10纳米的聚苯乙烯颗粒，并释放9纳米的颗粒，实现亚10纳米聚苯乙烯颗粒的1纳米分选精度。同时，它还能以3纳米的精度分离亚20纳米的外泌体。

对于金属颗粒，该光镊同样表现出独特的性能。在特定的光场中，金属颗粒不仅受到梯度力作用，还会受到电磁能流主导的辐射力。这种辐射力会将金属颗粒从热点中推开，破坏稳定的捕获状态，从而实现中等尺寸金属颗粒的准确挑选。例如，在混合有30纳米、50纳米和70纳米金颗粒的样品中，该光镊能够仅捕获50纳米的金颗粒。

此外，在电偶极子模式下，该光镊还能实现金颗粒的快速分选和运输。在较大的流速下，受到更大光力的金颗粒被限制在光槽内，而较小颗粒则保持与流速相同的方向运动。这一特性为金颗粒的高效分选和运输提供了新途径。

该研究成果对于分选细小生物颗粒如细菌、病毒、外泌体等具有重要意义，有望推动疾病诊断、药物开发和精准医疗等领域的发展。同济大学博士研究生罗洪为论文的第一作者，施宇智教授、程鑫彬教授以及中国计量科学研究院研究员方向为共同通讯作者。其他具有突出贡献的作者还包括王占山教授、博士研究生李程峰、中国计量科学研究院研究员戴新华、副研究员茹宁、上海交通大学助理研究员尤敏敏、同济大学博士后研究人员何涛以及台湾成功大学副教授吴品颉等。

此次突破不仅展示了同济大学在纳米技术和光学领域的卓越实力，也为全球纳米颗粒分选技术的发展开辟了新的道路。