近日，同济大学物理科学与工程学院王占山教授、程鑫彬教授团队的施宇智教授（兼聘同济大学附属眼科医院双聘教授）揭示了一种手性不均匀性诱导的自转向光力效应，丰富了对光与手性物质相互作用机制的理解。相关研究成果以“Self-Swerving Optical Force by Chiral Inhomogeneity”为题发表于国际顶尖期刊《先进材料》（Advanced Materials），并被选为封面（back cover）文章。同济大学施宇智教授与博士研究生赖成兴为论文的共同第一作者。西安交通大学胡飞教授、清华大学宋清华副教授、新加坡国立大学仇成伟教授和同济大学程鑫彬教授为论文的共同通讯作者。
光镊技术利用光力对颗粒精密操控，在物理、生物医学等领域意义重大。通常来说，改变光力方向需要调控光场性质，例如振幅、相位、偏振等，如何通过动态调控物体结构性质改变光力大小和方向较为不明确。而通过颗粒结构自身的随时间变化导致光力反转，可以产生“自转向”现象。
研究团队通过理论模拟与实验验证，发现具有轴向手性梯度的颗粒在线偏振光场中，即使没有界面或结构光束的辅助，也能产生横向光力。且该力的方向会随着颗粒自身的旋转而自发反转，从而实现“自转向”运动，如图1所示。这一效应源于手性梯度导致的坡印廷动量守恒破缺，打破了传统手性颗粒操控中对结构光场或界面依赖的局限。
图1. 手性不均匀性诱导的自转向光力效应示意图。（a）不同手性梯度的颗粒在均匀线偏振光中产生方向相反的横向光力；（b）左右手性颗粒的显微图像；（c）分别置于界面中、表面和表面外的手性粒子上的不同横向光力的图示；（d）不均匀颗粒在光场中旋转时引起光力反向，而均匀颗粒不受横向光力。
研究团队在仿真中计算了不同手性梯度方向下的横向光力，如图2所示。研究发现，横向光力能够由于颗粒尺寸、手性梯度方向（例如沿着x或z轴方向）、入射光的偏振、入射角的变化产生方向反转的现象。
图2. 不同手性梯度方向下横向光力的模拟结果。（a）径向梯度因对称性不产生净横向力；轴向梯度（如z向）可产生显著的横向力；（b）横向光力与最大手性参数和颗粒尺寸的关系；（c-f）不同梯度方向与偏振态下的横向力随颗粒尺寸与入射角变化，呈现明显的尺寸依赖与方向反转现象。
研究团队制备了具有手性梯度的聚合物液晶微粒，并通过精密的实验系统观测到从纳米到微米尺度的颗粒在线偏振光下的自发转向行为，如图3所示。此外团队提取并分析了实验中颗粒受到的布朗运动，布朗运动的速度分布符合热噪声的分布。而不同尺寸的颗粒均观测到了由于自身旋转导致的相反横向光力。
图3. 微米级手性颗粒在实验中的自转向行为观测。（a）颗粒在s偏振光下表现出双向运动；（b-c）颗粒旋转过程中散射图案动态变化，反映其旋转方向变化；（d）运动轨迹清晰显示“自转向”效应；（e）速度分布符合热噪声统计特征；（f）不同尺寸颗粒均观测到正负横向光力。
进一步，在应用拓展方面，团队提出该光横向力可以广泛用于操控材料和结构不均匀颗粒，如图4所示。同时，团队还提出并设计了基于手性梯度超表面的光驱动机器人，展示了其在二维编程操控中的潜力。
图4. 手性不均匀性诱导光力的应用。（a）单一金螺旋纳米结构的光学操控；（b-c）线偏振平面波作用下，颗粒受力方向由手性梯度取向和光偏振方向决定；（d）纳米柱旋转角度-圆二色性响应数据库；（e）不同偏振态下，手性梯度超表面上的横向力随入射角的变化；（f）使用强度与入射角可调的两束光束实现超表面二维操控。
本研究系统揭示了手性不均匀性诱导的“自转向”光力效应，突破了传统光学操控对结构光场或物理界面的依赖。通过在理论与实验上证实轴向手性梯度可在均匀线偏振光中产生方向可逆的横向光力，该工作不仅阐明了手性梯度对光动量的调制机制，也推动了光与复杂手性物质相互作用的理解向非均匀体系拓展。展望未来，在基础研究方面，可进一步探索手性梯度的多维设计对光力和光扭矩的协同影响。在应用层面，基于手性梯度超表面的可编程光驱动机器人为微纳尺度下的定向输运、粒子分选与微装配提供了新思路；同时，该机制有望发展为一类高灵敏度的手性表征工具，用于生物分子、药物结构及人工超构材料的无损检测。总之，这项工作通过揭示材料不均匀性这一普遍但常被忽略的物理因素对光力的关键作用，为手性相互作用、颗粒精密操控等提供了新思路。
对论文具有突出贡献的合作者还包括同济大学王占山教授、魏泽勇副教授、何涛助理教授，以及博士研究生徐伟杰和李程峰，中国科学院西安光学精密研究所徐孝浩教授，西班牙马德里材料科学研究所Manuel Nieto-Vesperinas教授，意大利CNR纳米技术研究所Alfredo Mazzulla研究员，意大利卡拉布里亚大学Gabriella Cipparrone教授，香港科技大学陈子亭教授等。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202517678
供稿：课题组
