CN113104810A - 一种微球辅助金属纳米线精准操控的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及纳米材料技术领域，特别涉及一种微球辅助金属纳米线精准操控的方法，包括以下步骤：S1.配置微球溶液、纳米线溶液；S2.将两片盖玻片之间粘合形成微流体样品池；S3.将步骤S1得到的微球溶液和纳米线溶液按照1:(1～2)的比例混合，然后注入到步骤S2的微流体样品池中；S4.将步骤S3处理之后的微流体样品池放置在光镊系统的样品台上；通过声光偏转器创造多个动态或静态光阱；S5.预设所述光阱运动轨迹或静止位置，通过光阱捕获微球对纳米线进行移动或旋转。该方法不仅可满足稳定性、高精度、灵活性等相关要求，而且不依赖于纳米线的种类、形貌和尺寸，可广泛应用于各种纳米线。

Description

一种微球辅助金属纳米线精准操控的方法
技术领域
本发明涉及纳米材料技术领域，特别涉及一种微球辅助金属纳米线精准操控的方法。
背景技术
纳米结构的独立和精准操控是纳米器件在各应用中充分发挥潜力的前提。特别是各向异性的纳米结构，例如纳米线、纳米管等，由于其化学、物理性质高度依赖于其方向和位置，它们的精准独立操控对于光电纳米器件的构建与应用具有重要的意义。为了达到这一目的，近年来，基于磁场、电场、光场等的纳米线操控技术不断涌现。其中，以光镊为代表的基于光场的操控技术因其高精度、操作灵活和多功能性受到广泛关注，并成功地实现了多种纳米线(如SnO2、Ag、Au、Si纳米线)的捕获和操控。然而，由于金属的高散射和高吸收特性，基于光场的操控技术在操控金属纳米线时通常会遇到许多技术障碍。这些基于光场的操控技术，一种是通过构造特殊的激光束来实现金属纳米线的操控。例如，通过对线偏振的高斯光束进行调制，产生涡旋光束，利用涡旋光束的光子角动量，实现单根Ag纳米线的旋转。但同时，必须在基板上引入一些吸引力以抵消来自涡旋束的散射力，也因此，纳米线被限制在衬底附近，无法进一步的移动和定位。此外，由于金属纳米线对光的高吸收而产生的热效应会降低操控的稳定性。另一种操控技术是基于等离子体光镊来实现金属纳米线的操控。由于表面等离子体共振的场增强作用，激光作用在纳米线上的梯度力增加，可以较为稳定的实现金属纳米线的捕获、平移和定向。然而，等离子体光镊需要在金属表面上实施操作，金属表面的高损耗特性限制了其工作范围(通常为几十纳米)，并且其与入射光相互作用所产生的热效应也不容忽略。可以看到，这种直接的光学操控技术在操控金属纳米线时都不可避免地会受到光热等问题的影响。另外，为了满足操控条件，实际应用中对于激光和纳米线都有一定的要求，例如，激光波长要能激发等离子体共振等。因此，一种简单、通用、稳定的可以精确操控金属纳米线的方法是迫切需要的。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种微球辅助金属纳米线精准操控的方法，该方法简单、通用、稳定，可以精确操控金属纳米线。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
一种微球辅助金属纳米线精准操控的方法，包括以下步骤：
S1.配置微球溶液、纳米线溶液；
S2.将两片盖玻片之间粘合形成微流体样品池；
S3.将步骤S1得到的微球溶液和纳米线溶液按照1:(1～2)的比例混合，然后注入到步骤S2的微流体样品池中；
S4.将步骤S3处理之后的微流体样品池放置在光镊系统的样品台上；通过声光偏转器创造多个动态或静态光阱；
S5.预设所述光阱运动轨迹或静止位置，通过光阱捕获微球对纳米线进行移动或旋转。
优选地，所述微球的直径为8～15μm，更优选地所述微球为二氧化硅微球。
优选地，所述微球溶液中，微球与溶剂的体积比为1:(450～550)。
优选地，所述纳米线溶液的浓度为(4.5～5.5)×10-5M。
优选地，所述微球溶液和纳米线溶液的体积比为1:1。
优选地，所述光阱的运动轨迹为直径20～30μm的圆。
优选地，所述声光偏转器发出的激光的功率为30～40mW，所述光阱的扫描频率为1.2～2.2rps。
通过将配置的微球溶液、纳米线溶液混合。在通过光阱捕获微球，通过移动光阱，带动微球移动，在推力的作用下，可以实现对目标纳米线的平移。借助声光偏转器设计一个圆形轨迹的动态扫描光阱。在光力的作用下，样品池内处于动态光阱附近的微球会被其捕获并以恒定速度沿着圆形轨道运动。在粘性力起主导作用的低雷诺数液体环境中，微球沿着圆形路径作匀速圆周运动并驱动周围的流体，在圆形轨迹内形成一个微旋涡，其速度从轨迹边界到中心不断变化，且漩涡旋转速度和方向可以由动态光阱的扫描频率和方向来确定。位于微旋涡内部的目标纳米线将在粘性剪切应力的作用下发生旋转。通过调整动态光阱的扫描频率和方向，所施加的转矩方向和大小也随之改变，从而可以实现纳米线的可控旋转。在实际的微旋涡中，纳米线两端受到的水流剪切力很难达到完全对称，这会导致目标纳米线中心位置的微小波动，实际应用中，可以实时调整圆形扫描光阱的圆心来平衡纳米线位置的波动。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
本发明提供的一种微球辅助金属纳米线精准操控的方法，利用光阱捕获微球，由光阱带动微球运动，再由微球运动运动产生的微旋涡带动纳米线运动。利用微球作为“微米机器人”来实现单根金属纳米线的精准操控。该方法不仅可满足稳定性、高精度、灵活性等相关要求，而且不依赖于纳米线的种类、形貌和尺寸，可广泛应用于各种纳米线。此外，该方法还被进一步应用于实现纳米线基微纳结构的构建。该方法对于纳米线基光电器件在纳米光子学、光谱学、传感等领域的应用具有重要的贡献。
附图说明
图1为本发明微球辅助纳米线操控原理示意图；
图2为本发明微球辅助Ag纳米线旋转操作图；a和b分别显示了目标纳米线一个完整的逆时针和顺时针旋转周期；c为纳米线旋转角度与时间呈线性关系图；d为纳米线旋转速率与微球的公转速率之间的线性关系；
图3为本发明微球辅助Ag纳米线精准定向操作图；
图4为本发明微球辅助Ag纳米线平移操作图；
图5为本发明微球辅助纳米结构组装操作图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下述实验例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。
以下实施例采用的设备包括：一台光镊系统(Tweez250si,Aresis,Europe)展开操作。系统内置一台Nd:YAG红外激光源(波长：1064nm，激光功率连续可调)和倒置显微镜(物镜：水镜，放大倍数60×，数值孔径1.0)。激光由物镜聚焦，从下方入射。通过系统中声光偏转器对激光的调制，可以创造若干个动态或静态光阱，光阱可通过Matlab预设其运动轨迹或静止位置。
实施例1
一种微球辅助单根Ag纳米线旋转的方法，包括以下步骤：
S1.配置微球溶液、纳米线溶液；
Ag纳米线(直径150～500nm，长度6～30μm)是通过化学合成法制备，购置于南京先丰纳米材料有限公司。取适量Ag纳米线溶液于离心管中，并用去离子水稀释到合适浓度(实验中浓度约为5×10-5M)，并在常温下超声分散10分钟后备用；将适量的二氧化硅SiO2微颗粒(直径10μm)置于离心管中用去离子水稀释(颗粒与水的体积比约为1：500)，并超声分散10分钟后备用。
S2.将两片盖玻片之间粘合形成微流体样品池；
将两片盖玻片在超声清洁器中用酒精洗涤并干燥后，两者之间用厚度为100μm的双面胶粘合，形成微流体样品池；
S3.将步骤S1得到的微球溶液和纳米线溶液按照1:1的比例混合，然后注入到步骤S2的微流体样品池中；
S4.将步骤S3处理之后的微流体样品池放置在光镊系统的样品台上；通过声光偏转器创造多个动态或静态光阱；
S5.预设所述光阱运动轨迹或静止位置，通过光阱捕获微球对纳米线进行移动或旋转。
将样品池置于倒置显微镜样品台上。为了稳定灵活地旋转混合溶液中的目标纳米线，在本实验中，动态光阱的圆形扫描轨迹直径设置为20～30μm。下面的实验记录中，圆形轨迹直径为25μm。为了能够驱动微球沿光阱轨迹匀速转动，激光需要一个阈值。在实验中，对于10μm的SiO2微球，用于驱动它的功率约为25mW/1.5rps。为了尽可能减小激光带来的热效应影响以及后续实验的顺利开展，我们选取35mW作为实验的激光功率。在激光开启后，微球沿着动态光阱的扫描轨迹开始做匀速圆周运动。通过液体传递粘性力，产生微旋涡并在微旋涡中诱导了目标纳米线的旋转。目标纳米线的旋转方向由公转方向(即动态光阱的扫描方向)决定。例如，图2a和b分别显示了目标纳米线(直径～400nm，长度～15μm)一个完整的逆时针和顺时针旋转周期(360°)。其中微球的旋转速率设置为1.5rps，驱动该轨道粒子的相应激光功率为35mW。在纳米线一端标记星形作为参考点，从图中可以清楚地观察到单根Ag纳米线的可控非接触旋转。另外，纳米线的旋转速率与微球公转半径有关，如图2c所示。在长时间维度下，纳米线旋转角度与时间呈线性关系。通过改变微球的公转半径，可以改变纳米线的旋转速率，当半径为20、25和30μm时，纳米线的旋转速率分别为0.31±0.007、0.15±0.005、0.08±0.0007rps。通过进一步的实验，我们也确定了目标纳米线旋转速率与微球的公转速率之间的线性关系，如图2d所示(此时微球的公转半径为25μm，图中值的正负分别表示逆时针和顺时针旋转)。结果显示，纳米线的旋转速率fNW随着微球公转速率fM的增加而增加，并且数据可以用fNW＝0.094fM的线性方程很好地拟合。
实施例2
一种微球辅助单根Ag纳米线精准定向的方法：
微球溶液、纳米线溶液以及微流体样品池的制备同实施例1。
纳米线可以通过关闭或打开激光源，在任何时候停止或继续其旋转，从而可以实现目标纳米线的精准定向。这对于基于纳米线的光电微纳器件的组装和构建非常有益。图3显示了目标纳米线定向的光学显微图像。实验中动态光阱的扫描频率设置为1.5rps，扫描半径为25μm，激光功率为35mW。在图3a开始计时(t＝0s)之后，目标纳米线在t＝1.8s内逆时针旋转了80度(图3b)，此时，关闭激光，纳米线立即停止旋转。图3c表明纳米线在t＝5.3s时仍保持其取向不变。此时(t＝5.3s)开启激光源，纳米线继续逆时针旋转，在t＝7.7s时完成逆时针旋转180度(图3d)。以相同的方式，也可以在顺时针旋转过程中实现目标纳米线的精准定向。因此，可以得出结论，所提出的方法对于纳米线的定向是有效的。
实施例3
一种微球辅助用于沿预定路径同步平移单根金属纳米线的方法：
微球溶液、纳米线溶液以及微流体样品池的制备同实施例1。
通过移动静态光阱来驱动微球移动，进而实现目标纳米线的同步平移，如图4所示。此时施加在微球上的激光功率仍为35mW。图4a显示为微球辅助对于长23μm的单根Ag纳米线的平移过程。光阱操控微球首先接触目标纳米线，在推力的作用下，纳米线完成了沿预定路径先上后下的平移过程，在纳米线到达指定地点后，快速将微球拉离纳米线，即完成纳米线的“释放”过程。为了进一步验证该方法的有效性，我们对长度为15和10μm的单根Ag纳米线完成了指定路径的平移，如图4b和4c所示。进一步的，当纳米线到达指定位置后，通过设置圆形扫描光阱(参数与以上实施例相同)，将纳米线的方向调整到与初始方向相同。
实施例4
一种纳米线的结构组装的方法：
微球溶液、纳米线溶液以及微流体样品池的制备同实施例1。
如图5所示，我们用该方法将两条Ag纳米线组装在一起，构建了燕尾结构。为了简化，选择固定在基底上的Ag纳米线作为目标位置。在微球的辐助下，游离的Ag纳米线被平移以接近固定纳米线。当游离纳米线的一端接触到固定的纳米线时，纳米线之间的静电引力可以抵消部分布朗运动，从而使整体的纳米结构处于相对静止状态。由于施加在微球上的光力与激光器的光功率成线性关系，因此，可以通过增加激光功率来增加对微球的捕获力，相应地，可以施加到游离纳米线上的推力的极值也会增加。当微球给予纳米线的推力大于两条纳米线之间的静电引力时，纳米线可以在微球的辅助下调整位置。当调整到所需位置后，撤走微球，关掉激光，游离纳米线在重力和静电吸引作用下会被缓慢的吸附到基底上，与固定纳米线形成稳定的纳米结构(整个过程需要约30分钟)。可以通过重复该构建过程以制造更复杂的基于纳米线的结构。
实施例5
一种微球辅助金属纳米线、半导体纳米线，不同形貌的纳米线、和不同尺寸的纳米线的操控方法，微球溶液、纳米线溶液以及微流体样品池的制备同实施例1。纳米线的旋转操作同实施例1，纳米线的定向操作同实施例2，纳米线的平行同实施例3，不同纳米线的组装操作同实施例3。如表1所示，该方法适用于多种材质的纳米线，如金属(Au、Ag)纳米线、半导体(Al2O3)纳米线，多种形貌的纳米线(直线、折形)和多种尺寸的纳米线的操控。可以看出，该方法是一种简单、普适的纳米线操控方法。
表1不同材料、形状、尺寸纳米线的操作情况表
Figure BDA0003012226210000081
Figure BDA0003012226210000091
本发明的原理：
图1展示了本技术中微球辅助纳米线操控的工作原理。透明介质微球可以轻易的被光阱捕获和操控，作为“微机器人”或“微操作手”来进一步实现我们对于纳米线的旋转、定向、平移等一系列操控。为了平移纳米线，我们用单光阱操控微球去接触目标纳米线。通过移动光阱，带动微球移动，在推力的作用下，可以实现对目标纳米线的平移。为了旋转、定向纳米线，首先借助声光偏转器设计一个圆形轨迹的动态扫描光阱。在光力的作用下，样品池内处于动态光阱附近的微球会被其捕获并以恒定速度沿着圆形轨道运动(公转)。在粘性力起主导作用的低雷诺数液体环境中，微球沿着圆形路径作匀速圆周运动并驱动周围的流体，在圆形轨迹内形成一个微旋涡，其速度从轨迹边界到中心不断变化，且漩涡旋转速度和方向可以由动态光阱的扫描频率和方向来确定。位于微旋涡内部的目标纳米线将在粘性剪切应力(转矩)的作用下发生旋转。通过调整动态光阱的扫描频率和方向，所施加的转矩方向和大小也随之改变，从而可以实现纳米线的可控旋转。在实际的微旋涡中，纳米线两端受到的水流剪切力很难达到完全对称，这会导致目标纳米线中心位置的微小波动，实际应用中，可以实时调整圆形扫描光阱的圆心来平衡纳米线位置的波动。基于上述方法的纳米线操控，结合了微流操控与光学操控的优点，避免了激光与纳米线的直接接触，操作简单且具有较高的稳定性和精确的可控性，不依赖于纳米线的材质、形貌和尺寸，对激光(如功率、波长等)也没有特殊要求。
以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微球辅助金属纳米线精准操控的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.配置微球溶液、纳米线溶液；
S2.将两片盖玻片之间粘合形成微流体样品池；
S3.将步骤S1得到的微球溶液和纳米线溶液按照1:(1～2)的比例混合，然后注入到步骤S2的微流体样品池中；
S4.将步骤S3处理之后的微流体样品池放置在光镊系统的样品台上；通过声光偏转器创造多个动态或静态光阱；
S5.预设所述光阱运动轨迹或静止位置，通过光阱捕获微球对纳米线进行移动或旋转。
2.根据权利要求1所述微球辅助金属纳米线精准操控的方法，其特征在于，所述微球的直径为8～15μm。
3.根据权利要求1或2所述微球辅助金属纳米线精准操控的方法，其特征在于，所述微球包括但不限于二氧化硅微球。
4.根据权利要求1所述微球辅助金属纳米线精准操控的方法，其特征在于，所述微球溶液中，微球与溶剂的体积比为1:(450～550)。
5.根据权利要求1所述微球辅助金属纳米线精准操控的方法，其特征在于，所述纳米线溶液的浓度为(4.5～5.5)×10-5M。
6.根据权利要求1所述微球辅助金属纳米线精准操控的方法，其特征在于，所述微球溶液和纳米线溶液的体积比为1:1。
7.根据权利要求1所述微球辅助金属纳米线精准定向和旋转的方法，其特征在于，所述光阱的运动轨迹为直径20～30μm的圆。
8.根据权利要求1所述微球辅助金属纳米线精准操控的方法，其特征在于，所述激光的功率为30～40mW。
9.根据权利要求1所述微球辅助金纳米线精准操控的方法，其特征在于，所述光阱的扫描频率为1.2～2.2rps。
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