撰稿|由课题组供稿
液液相分离的发生源于分子的自组装过程，其液滴的成核位置和生长状态随机且难以控制。为了实现精准、功能化的微液滴操控，来自华南理工大学的蒋凌翔教授和暨南大学的李宇超副教授提出了光-热-力多物理场耦合的高时空精度微液滴操控方法，使光学操控技术与相分离微液滴碰撞出新的火花。相关工作发表在Advanced Materials，题为“Optothermally programmable liquids with spatiotemporal precision and functional complexity”，并入选Editor’s Choice和内封面论文（Inside back cover）。论文的共同第一作者为暨南大学博士后陈熙熙、武田丽和硕士黄丹敏。
液液相分离所构成的微液滴往往具有单个分子结构所不具备的特殊物理、化学性质和生物功能。如在细胞中由生物分子聚集形成的相分离微液滴，作为无膜细胞器参与重要的生理活动，如细胞微结构组装、转录调控和信号传导等，其状态也与许多疾病（如运动神经元病、阿尔茨海默症等）的发展有着密不可分的联系。同时，相分离微液滴的自组装特性和富集能力可辅助进行物质提纯和药物研发。由此，液液相分离微液滴在生物医学、合成化学等研究领域受到广泛的研究和应用。然而，受到成核过程随机和分子浓度波动等因素的影响，液液相分离微液滴的生成位置、时间、形状和尺寸均难以控制，这使得精准、功能化的相分离微液滴操控成为挑战。
为此，研究团队将分时复用的多势阱光镊技术与金属纳米薄膜的高效光热效应相结合，将光场转化为精准的热场，从而在升温相变的材料体系中，诱导生成了具有高时空响应能力的光热相分离微液滴（图1）。
图1：光热相分离微液滴产生的原理示意图。
进一步，利用微液滴受到的热毛细力和自身动态重塑特性，驱动微液滴随激光的扫描路径进行同步变化，实现了微液滴的定位/移动、融合/分裂和动态重构等可编程化的精准操控，获得了亚微米的空间精度和百毫秒的时间精度，并成功展示了具有高保真度的静态/动态液体图案（图2）。在此基础上，研究团队探索了可编程微液滴的多种应用功能。实现了微液滴在复杂信息编码中的应用，通过将音频信息转化为微液滴运动行为，呈现音乐可视化的效果。并实现了微液滴对蛋白分子、染料分子和纳米颗粒等多种样品的定点富集、转运和释放。以及利用微液滴构造了时空可控的仿生微反应器，增强了级联酶促反应的发生。
图2：光热相分离微液滴实现的液体图案。
该研究工作中提出的光-热-力多物理场耦合的微液滴操控技术，不仅实现了多功能相分离微液滴的构造，也为液态材料的操控提供了一种高时空精度的新方法，在液滴微流控、仿生液态材料、光驱动微纳机器人等领域具有重要的应用前景。
论文信息：
Xixi Chen#, Tianli Wu#, Danmin Huang#, Jiajia Zhou, Fengxiang Zhou, Mei Tu, Yao Zhang, Baojun Li, Yuchao Li*, and Lingxiang Jiang*. “Optothermally programmable liquids with spatiotemporal precision and functional complexity.” Advanced Materials 2205563 (2022).
https://doi.org/10.1002/adma.202205563
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