Optische Pinzetten und verwandte Techniken bieten außergewöhnliche Möglichkeiten für Forschung und Anwendungen im physikalischen, biologischen und medizinischen Bereich. Bestimmte Anforderungen wie hochintensive Laserstrahlen, anspruchsvolle Elektrodendesigns, zusätzliche Stromquellen und Medien mit geringer Leitfähigkeit beeinträchtigen jedoch ihre Flexibilität und Anpassungsfähigkeit erheblich und behindern somit ihre praktische Anwendung.
In einer Studie veröffentlicht In Die Innovationberichtete ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Du Xuemin vom Shenzhen Institutes of Advanced Technology (SIAT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften über eine neuartige photopyroelektrische Pinzette (PPT), die die Vorteile von Licht und elektrischen Feldern kombiniert. Das PPT ermöglicht eine vielseitige Manipulation in verschiedenen Arbeitsszenarien.
Das vorgeschlagene PPT besteht aus zwei Schlüsselkomponenten: einer Laserlichtquelle im nahen Infrarotspektrum (NIR) und einem PPT-Gerät, das ein flüssiges Medium und ein photopyroelektrisches Substrat enthält.
Das photopyroelektrische Substrat umfasst eine superhydrophobe ferroelektrische Polymerschicht aus Poly(vinylidenfluorid-co-trifluorethylen) (LMPs/P(VDF-TrFE))-Verbundwerkstoffen mit eingebetteten Ga-In-Flüssigmetallmikropartikeln und eine mit Schmiermittel angereicherte Gleitschicht. Die Polymerschicht erzeugt über den photopyroelektrischen Effekt in Echtzeit Oberflächenladungen, während die Gleitmittelschicht den Bewegungswiderstand verringert, Verunreinigungen unterdrückt und eine Ladungsabschirmung durch leitfähige Medien verhindert.
Aufgrund seiner rational gestalteten Struktur erzeugt der PPT effizient und dauerhaft Oberflächenladungen, wenn er NIR-Strahlung geringer Intensität (bis zu ~ 8,3 mW mm-2) ausgesetzt wird. Dadurch wird eine starke Antriebskraft (bis zu ~ 4,6×10-5 N) induziert, ohne dass ein hochintensiver Laserstrahl, komplexe Elektrodenkonstruktionen und zusätzliche Stromquellen erforderlich sind.
„Die Innovation liegt im rationalen Design des photopyroelektrischen Substrats, das effizient Ladungen erzeugt, und der Schmiermittelschicht, die eine Ladungsabschirmung durch leitfähige Medien verhindert. „Dieses Design verleiht beispiellose Flexibilität und Anpassungsfähigkeit für die Manipulation verschiedener Objekte“, sagte Dr. Du.
Das PPT kann Objekte aus verschiedenen Materialien (Polymer, anorganisch und Metall), Phasen (Blase, Flüssigkeit und Feststoff) und Geometrien (Kugel, Quader und Draht) ferngesteuert und programmierbar manipulieren. Darüber hinaus ist es an verschiedene Medien mit einem weiten Leitfähigkeitsbereich (0,001 mS cm-1 bis 91,0 mS cm-1) anpassbar und vielseitig einsetzbar, sowohl für tragbare makroskopische Manipulationsplattformen als auch für mikroskopische Manipulationssysteme. Es unterstützt bedarfsgesteuerte Manipulationsbereiche im Bereich von 5 μm bis 2,5 mm und ermöglicht so die skalenübergreifende Manipulation fester Objekte, Flüssigkeitströpfchen und biologischer Proben von einzelnen Zellen bis hin zu Zellanordnungen.
Das in dieser Studie vorgeschlagene PPT bietet ein neues Werkzeug für Robotik, Kolloidwissenschaft, Organoide, Tissue Engineering und Neuromodulation.
Weitere Informationen:
Fang Wang et al., Photopyroelektrische Pinzetten für vielseitige Manipulation, Die Innovation (2024). DOI: 10.1016/j.xinn.2024.100742