原创长光所Light中心中国光学收录于话题#光镊4个
招募撰稿人/主笔
撰稿|杨大海（哈师大博士生）
在生活中，有好多的机械传动装置。正是得益于工程师们灵巧的设计，致使这种机构才能服务于人们的现实生活。其中，在高中数学课本中你们最为熟知的是曲柄曲轴装置，彰显在日常生活中最为常见的就是单车传动的棘轮装置。
而在微观世界里，微纳粒子的运动或则说传动是一个十分复杂的过程，其中暗藏着丰富的化学和物理作用。要想去研究这种微观粒子的动力学过程以及对它们进行操纵，目前最好的方式自然是光镊技术。
图源：中国科学教授春光机所，Light学术出版中心，新媒体工作组
2018年获得诺贝尔化学学奖的光镊技术，你们耳熟能详，其相关知识可以通过往期推文（点击下边文章题目）获得：
1综述：两次获得诺贝尔化学学奖的光镊技术
2综述：光镊技术的原理，实践及应用
3让人遗憾的是，在去年的9月21日，诺奖得主阿瑟·阿什金()逝世【⏬】，享年98岁。在这儿让我们再一次怀着一颗崇敬的心，向科学家高手致敬。
在步入明天的主题之前，须要了解两个特别专业的数学名词，这对本篇报导的理解极为重要。
光学物质（）：1990年8月17日，刊物以题目为“:andin/光学物质：在强光场中的结晶与结合”【⏬】，对光学物质这一概念做了定义，其是指将电磁场以一定适当方式耦合到微观介质中，可以产生可扩充的晶体和非晶体阵列结构，称之为光学物质。
光学物质的存在有两种方式：
第一种是电介质物质直接响应于外加的串扰光场；
第二种是外加光场可能造成介电物质形成其它复杂的结构。
但无论如何，这种新的有序结构的形成都与入射光场和物质的极性有关。
布朗式棘轮（）：百度百科对布朗棘式轮模型作出的解释是“布朗式棘轮模型是指线粒体前体蛋白从粗面核糖转运到线粒体内膜是因为前体蛋白的摆动性（即布朗运动），可能会刚步入线粒体内膜即出膜，所以有mhsp（内膜热晕厥蛋白）70与蛋白的N-导肽结合进而固定在内膜的表面，N-导肽在前体蛋白成熟后会由特定酯化酶将酯化掉。”
维基百科对布朗棘式轮模型作出的解释是“布朗式棘轮（），又称费曼棘轮，由德国化学学家玛丽安·斯莫卢霍斯基于1912年提出的永动机构想，因化学学家理查德·费曼于1962年的讲堂中传播开来。”其实质是指不违背热力学第二定理的永动机装置。如图1所示布朗粒子，棘轮就是指如图1.左边沿上有特殊形状的蜗杆装置。
图1.布朗式棘轮的运动设想图
图源：世界卫生创新论坛
总体来说，布朗式棘轮模式是研究不管是微观、介观还是宏观动力学过程中不可或缺的一个模型。在2002年5月2日，刊物以题目名为“:'s/布朗式棘轮：达尔文电机”【⏬】，对布朗棘轮也做了报导，文中提及“生命活动所依赖的分子运动都来始于布朗运动”以及“在运动蛋白过程中，所创造的’秩序’是一种定向力，而选择的成因是分子间的互相斥力。为此，布朗棘轮的概念不断出现在新的语境中，这为我们在不同领域中的思索提供了丰富的空间。”所以说，在不同的领域布朗式棘轮模型具有更为宽广的内涵和外缘。
在2020年10月19日，日本光学学会（OSA）旗舰刊物发表了一篇题为“:bymodesinbound/光学物质机器：在光禁锢下纳米粒子实现集体模式的角动量转换”的文章。
作者们在此提出了一种在纳米尺度上进行光驱动的新方式，由于传统的光驱动形式都关注在入射场对光学物质阵列形成的结构和动力学剖析，而甚少关注光学物质形成产生的散射场会有如何的特点。本文针对这个问题作出了详尽的剖析讨论。
图2.左图为在圆偏振光激光照射下，7个纳米粒子（浅蓝黑斑点）产生一个多边形光学物质的动态仿真图。淡黄色和黑色区域表示的是粒子周围产生的电场；
下图为估算剖析光学物质纵向截面上的波印廷矢量流线图；
图源：F./华盛顿学院；Vol.7,No.10/2020/Fig.3d)
如图2所示，研究人员通过将右旋圆偏振光激光入射到7个纳米粒子上，150nm半径的银纳米颗粒之间都会通过形成比光波长小得多的互相作用而发生自组装效应，因为入射的圆偏振具有旋转对称的光学禁锢作用，促使7个粒子产生六角形对称的光学物质，中间具有一个粒子，其余的分布在多边形周围。
对于为何成多边形分布？是因为存在一个角动量守恒的选择定则；选择定则的存在决定了光学物质几何形状的模式，而几何模式又决定着粒子散射场的分布。
在银纳米粒子实际的运动过程中，7个银纳米粒子会在右旋圆偏振光的照射下，因为粒子的散射场会产生一个整体的“负转矩”，其出现的现象是7个纳米粒子整体像一个质心一样运动，其运动方向与入射场偏振光态相反。
在图2的仿真动态图中彰显不出这样的运动，由于实际粒子整体运动的发生时间比此处仿真显示的皮秒时间尺度要长得多，而在右图的实际粒子捕获中可以听到。更为有趣的是，假如在光学物质外围有一个“探针”粒子存在时，探针粒子的运动将更为独特，如图3所示。
图3.左图为光学物质机器的原理图；
中间图为实拍粒子运动时的截屏图（蓝色线为整体的质心运动轨迹；绿色线为探针粒子的运动轨迹）；
下图表示光学物质机器运动的示意图（箭头表示优先旋转的方向；实心和空心方框表示探针粒子的稳定与不稳定状态位置）
图源：Vol.7,No.10/2020/Fig.1a)/Fig.4e)/Fig.4a)
探针粒子与光学物质组成了一个类似“布朗式棘轮”的结构，因为光学物质集体模式存在有一个散射场，如图2的下图所示，光学物质外围都会存在一股电磁能流，才能驱使探针粒子运动。
这儿探针粒子的能量主要来始于载流子角动量（SAM）和轨道角动量（OAM）的互相转化，会聚光束提供了一个光势阱，产生了一个向内的相位梯度，探针粒子被约束在一个类似具有径向约束的环型蜗杆的外围。但是探针粒子的运动方向与光学物质整体运动的方向相反，这正好也彰显着角动量守恒的原则。如下视频所示，为银纳米颗粒的实际光捕获实验。
在此处，研究者开发出的这些微型光机器，可以将激光转化为做功。而且，这种光动力机器可以自行自组装，可实际用于纳米级的微小粒子操作，如纳米流体和粒子生物分子、细胞分选等应用。
本文通信作者华盛顿学院的F.院士，在接受OSA的专访时提到“我们的工作解决了纳米科学界常年以来的一个目标，即创造可以在传统环境中工作（如温度液体），进行自组装的纳米尺度机器。”
虽然布朗粒子，光学物质“布朗式棘轮”还有好多其它的有趣特点，比如稳定性、效率以及探针粒子的大小和个数等要素，有兴趣的读者可以通过下边链接查看论文原文。
文章信息
Vol.7,Issue10,pp.1341-1348(2020).
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