近日，深圳大学医学光子学创新研究院光操控团队取得重要进展，相关研究成果发表于国际顶级期刊《Nature Communications》
团队创新研发了冰相光热镊技术（Ice-Phase Optothermal Tweezers，IOT），通过激光局部加热诱导冰—水相变，利用移动的冰—水界面和相变诱导流场，成功突破传统光镊限制，实现了对多类微纳颗粒、生物分子以及冰内微气泡的可编程操控。
本论文的共同第一作者为深圳大学物理与光电工程学院博士研究生周健行和彭宇航，深圳大学陈嘉杰副教授与美国德克萨斯大学奥斯汀分校郑跃兵教授为共同通讯作者。深圳大学为该研究的第一完成单位。该研究工作在推进过程中，得到了邵永红教授的指导与支持。
1. 研究背景
微纳颗粒的精准操控是实现“自下而上”纳米制造、手性超材料组装及单分子生物分析的核心基础。自光镊技术问世以来，非接触式的光场捕获极大地推动了相关领域的发展。然而，随着研究向更小尺度和更复杂结构迈进，现有技术逐渐暴露出一项根本性的物理矛盾：即操控的“灵活性”与原位固定的“稳定性”难以兼得。
在传统液相环境中，颗粒极易受布朗运动和热对流的强烈干扰，导致操控精度往往止步于百纳米量级以上；而一旦将颗粒置于冷冻或聚合物固化的固态环境中，虽然获得了绝对的稳定性，颗粒却如同被彻底“锁死”，完全丧失了进行二次动态重排或精细编辑的可能。
面对新型手性微纳器件定制等前沿应用对极高空间分辨率的苛刻要求，现有技术已遭遇瓶颈。如何打破液相易漂移与固态难驱动的传统界限，开发出一种兼具“液态高自由度调度”与“固态高稳定原位固定”的全新操控机制，从而将微纳打印与可编程组装精度真正推进至亚百纳米的高精度量级，已成为微纳光操控领域亟待解决的核心科学问题。
2. 技术创新
针对传统光镊的局限性，团队开辟了一条“光控相变界面驱动”的新路径，研发了全新的冰相光热镊(IOT)技术(图1)。
图1 冰相光热镊 IOT 的工作原理示意图
该技术不直接依靠光场“夹住”目标，而是通过激光照射吸光基底产生局部热场，使上方冰层升温并融化，形成半球形的微型液态腔室。随着激光焦点的移动，熔化区前沿持续融化、后沿持续凝固(图2)。
图2 激光诱导光热转换与局部熔化区形成
颗粒在移动的冰—水界面和相变诱导的局部微流场共同作用下，被平稳输运至目标位置，并在激光关闭后随局部水相凝固而被原位固定。这一机制完美结合了液态操控的灵活性和固态固定的稳定性。
3. 验证与应用成果
实验结果证明，IOT展现出卓越的材料普适性与跨尺度操控能力。团队成功在同一平台下实现了对聚苯乙烯微球、金纳米颗粒和二氧化硅颗粒(100纳米至数微米)的操控，并完成了大肠杆菌、荧光标记抗体蛋白和单链DNA的定向输运，充分验证了其在生物相关对象中的应用潜力(图3)。
图3 IOT对多类微纳对象与生物分子的操控结果
该技术的另一项重大突破是首次实现了对固态冰基质中微气泡的主动操控(图4)。以往被视为被动产物的冰内气泡，在IOT作用下可被主动移动、合并、分裂及可逆拉伸变形。团队更进一步将其排列成微气泡阵列及复杂轮廓，直观揭示了该技术在低温微纳加工与气泡动力学领域的巨大潜力。
图4 冰内微气泡的主动操控与复杂阵列构筑
值得一提的是，得益于IOT极高的空间操控精度与原位固定特性，团队进一步实现了微纳颗粒的“手性结构组装”。通过精准控制各个颗粒的空间位向与相对距离，研究人员利用该技术将游离的纳米颗粒可编程地拼装成具有特定不对称几何构型的手性聚集体。其组装对齐精度达到80纳米。这一突破不仅展示了IOT在复杂微纳结构定制方面的强大能力，更为手性超材料的自下而上(bottom-up)制造、手性光学响应调控以及新型手性传感器的开发提供了极为便利的技术路径(图5)。
图5 IOT驱动的微纳颗粒手性结构可编程组装
4.研究总结
本工作提出的冰相光热镊(IOT)技术，将冰—水相变过程巧妙转化为可编程的光热操控机制，使冰不再只是静态的低温固定介质，而是升级为可被激光“书写”和“驱动”的微纳操作平台。该技术为微纳组装、低温纳米制造、原位光谱表征及生命科学分析提供了一种全新的通用型工具，未来结合微流控与高分辨成像技术，应用前景极其广阔。
项目支持
本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和广东省基础与应用基础研究基金等项目的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-74027-7
