用激光操控微液滴定向运动绘制出熊猫图案、将音乐信号转换成液滴运动...这一系列现象听起来有些不可思议。

华南理工大学蒋凌翔教授

近期，华南理工大学前沿软物质学院蒋凌翔教授团队与暨南大学纳米光子学研究院李宇超副教授团队合作利用光-热-力多物理场耦合成功实现了相分离微液滴的高时空精度操控。

谈及实验的基本原理，蒋凌翔提到：“某些特定的分子具有受热发生液液相分离的特性，形成的两相都是液体且含有大量水分，其中一相含有更多溶质，另一相含有溶质较少。”

实验过程中，研究人员将激光聚焦在金膜上，从而产生局部分解温度，响应溶液热点，从而产生单个光热液滴。

稳定的热场确保空间精度能够达到 1μm，快速的加热和响应速度确保时间精度维持在 0.1 秒。

运用激光聚焦技术可根据需要决定相分离液体的形成、溶解、定位、成型和动态重构。研究人员进一步编程激光聚焦微液滴，用时间连续的方式编排微液滴图案，制作出高保真的微尺度液体动画。

相关论文以《具有时空精度和功能复杂性的光热可编程液体》（Optothermally programmable liquids with spatiotemporal precision and functional complexity）为题，发表于 Advanced Materials 杂志，并列第一作者是暨南大学博士后陈熙熙、武田丽和硕士黄丹敏。

激光诱导液液相分离

图 | 光热相分离原理（来源：Advanced Materials）

整个研究最关键的步骤是用温度诱导液液相进行分离，采用将激光照射在金膜上的方法进行加热。照射的过程中会产生等离子体效应，定点加热微液滴，产生局部的温度差，诱导分子发生液液相分离。

图 | 产生光热液滴的实验装置（来源：Advanced Materials）

实验使用的装置包括一台倒置荧光显微镜和扫描光系统。激光由声光偏转板（Acousto Optical Deflectors，AOD）调制，通过扩束器扩展，聚焦在 60× 水浸物镜的成像平面上。

据介绍，实现光热液液相分离的关键是光学技术。该技术可以在 100×100μm2 的工作场中偏转单个高频激光束（高达100kHz），产生高达 2500 个焦点，用白光 LED 光源进行荧光激发。

荧光图像使用绿色荧光滤镜或红色荧光滤镜进行拍摄，用高速相机和彩色相机记录。

选取具有代表性的低临界溶液温度（LCST）体系开展实验

图 | UCST 和 LCST 系统原理图（来源：Advanced Materials）

液液相分离的过程中会达到高临界溶液温度（UCST，upper critical solution temperature）与低临界溶液温度（LCST，lower critical solution temperature）。

在较低的温度下，强烈的分子间相互作用（如氢键）导致混合焓为负，并在两组分之间形成混相。这些分子间的相互作用往往具有高度的方向性，并且需要付出一定熵代价。

当加热到临界温度以上时，熵项主要通过打破定向分子间相互作用释放自由度驱动相分离。

图 | 实验中选取的低临界溶液体系（来源：Advanced Materials）

图 | 低临界溶液温度体系组分结构（来源：Advanced Materials）

低临界溶液温度已在多种聚合物或小分子体系中被观察到。

此次的光热实验选取 7 个具有代表性的 LCST 体系进行，由小分子、合成聚电解质、蛋白质组成，在不同的激光束温度与时间下实现液液相分离。

用激光束控制微液滴排列 将光能转化为热能

图 | 光热相分离微液滴实现的“熊猫抱竹”图案（来源：Advanced Materials）

液体具有表面张力，会维持自身的形状，因此难以控制，利用激光光斑的排列可使液体产生不同的形状与图案，如点、线性、圆形、三角形和方形液滴等。

具体来讲，研究人员通过控制激光的分布与功率等参数，把光能转换为热能，控制光热相分离液体产生相应图案。

液滴随着热场的分布排列成不同的复杂图案，以形成的“熊猫抱竹”图案为例，图像的空间分辨率达到 1μm 左右。呈现出的熊猫轮廓清晰，高度模仿出了原始的熊猫图形。

图 | 光热相分离微液滴产生的“化茧成蝶”液体动画（来源：Advanced Materials）

研究团队运用液滴的受力与其本身具有的可塑造性，使微液滴在激光的移动轨迹下同时运动、重组，成功达到动态重构的目的，实现了可编程化精确操控。

在激光的动态、精准操控下，液滴有序排列，绘制出“化茧成蝶”的全过程液体动画（由毛毛虫蜕变为虫茧和蝴蝶）。

图 | 微液滴呈现音乐可视化的效果、构造仿生微反应器（来源：Advanced Materials）

基于上述应用，研究团队深挖可编程微液滴的其它应用场景。音频信息顺利转化成为微液滴的运动行为图案，将乐曲的可视化动态效果展现给听众。

最后，团队实现了蛋白质、染料分子等多种微观样品之中的微液滴定点富集、运输等，还利用微液滴重组出时间与空间可调控的模拟生物微观反应生物系统，加强级联酶促反应，起到催化剂的作用。

应用于微电子与细胞生物学领域

液液相分离技术将能够在微电子、非平衡物理和细胞生物学等领域产生影响。

例如，液体绘画可以通过引入交联单体进行固化，从而使液液相分离产生永久结构。

含有浓缩电解质的液型可作为通向液回路的可重构导线，产生固有的非平衡系统。激光照射连续输入的能量可以驱动液滴内外对流，有可能在更大的范围内引导流体流动。

这种光热转化策略可以使活细胞实验达到亚细胞精度，通过工程细胞表达热敏蛋白，并将其培养在具有金涂层的培养基基底上。

“虽然激光聚焦技术已被常规用于操纵固体颗粒或微加工固体材料，但在信息加密、载荷传输和反应定位方面具有功能复杂性。我们期望它能进一步应用于生物分子凝聚的亚细胞组织和非平衡系统的可编程调制等场景。”蒋凌翔说。

参考资料：

Xixi Chen,Tianli Wu,Danmin Huang,Jiajia Zhou,Fengxiang Zhou,Mei Tu,Yao Zhang,Baojun Li,Yuchao Li,Lingxiang Jiang（2022）.Optothermally Programmable Liquids with Spatiotemporal Precision and Functional Complexity.Advanced Materials