日前，北京理工大学张帅龙教授团队在光电调控组装研究方面取得重要进展。自组装是构建定制化微纳结构的关键手段，在光子材料、光学传感、微加工和生物制造等领域相当重要。传统自组装方法通常缺乏拓扑结构的可调性和动态控制能力，限制了其在动态环境下应用的灵活性与稳定性。为此，北京理工大学张帅龙教授团队提出了一种基于光电镊的自组装新方法，利用光电镊引导微球自发形成高度有序的拓扑结构，并实现了动态重构与自修复。该研究不仅拓展了光电镊在微纳操控领域的应用边界，也为可编程、自适应微结构的设计提供了新思路。相关成果发表于光学领域国际知名期刊《Laser & Photonics Reviews》。
图1：OET实验系统与拓扑自组装示意图
亮点一：光电阱驱动微小颗粒自组装——从无机微球到生物细胞
研究团队利用光电镊（OET）系统，通过光诱导介电泳力（DEP）成功引导不同性质的微粒进行拓扑自组装。实验采用直径约20 μm的焊锡微球（正DEP）和10 μm聚苯乙烯微球（负DEP），在圆形光斑中分别观察到了从二聚体到七聚体的稳定拓扑排列。值得关注的是，该系统同样适用于生物样本——酵母细胞在相同条件下也展现出高度有序的自组装行为。这证明了该方法具备优异的材料普适性和生物兼容性，为合成与生物系统的跨领域微组装提供了统一平台。
图2：不同微粒在光电阱中的拓扑自组装行为
亮点二：自修复机制——外力扰动后结构自发恢复
研究中一个突出亮点是组装结构具备“自修复”能力。当外力（如流体阻力）扰动微球排列时，一旦扰动停止，微球能在DEP恢复力的驱动下自发回到原始拓扑构型。这种自修复行为源于DEP力场的梯度分布与粒子间静电斥力的动态平衡，使得系统具备良好的结构韧性与环境适应性。
图3：微粒自组装结构的自修复过程
亮点三：DEP力平衡机制解析——揭示自组装与自修复的物理本质
通过有限元仿真与理论分析，研究团队系统揭示了自组装与自修复的物理机制。在光电阱中，微球同时受到向内的DEP吸引力与向外的粒子间静电斥力，二者在特定间距下达到动态平衡，从而形成稳定的对称拓扑结构。仿真表明，多粒子系统呈现中心-外围的力平衡模式：中心粒子位于光斑几何中心，外围粒子呈对称分布，构成稳定的有限径向簇。当结构被扰动时，DEP力作为“恢复力”引导微球回归平衡位置，实现自修复。这一机制的阐明为可控微组装系统的理性设计奠定了理论基础。
图4：金属微球自组装过程仿真与力平衡分析
亮点四：光场编程实现拓扑形变与相变
通过动态调整光斑形状、大小或外加电压，研究团队实现了对微球组装结构的拓扑形变甚至相变调控。例如，将圆形光斑渐变为方形或环形，可诱导微球从六方排列转变为四方或环状排列；调节电压幅值则可精确控制粒子间距。这种“光场编程”能力赋予微结构高度的可重构性与环境响应性，为可编程物质与自适应系统的构建提供了新范式。
图5：光电场调控诱导的拓扑形变与相变实验验证
该研究提出了一种基于光电阱的拓扑自组装新方法，实现了微粒在光场中的有序排列、动态重构与自修复，展现出高度的可编程性与环境适应性。该方法不仅适用于金属、聚合物微球，还可拓展至生物细胞，为微纳制造、生物组装、自适应材料等领域提供了新的技术路径。
未来，研究团队计划进一步优化光场调控精度、拓展可操控粒子尺度范围，并结合表面化学功能化实现永久性微结构组装，推动该技术向实际应用迈进。
该论文以《Tuning Self-Assembled Topological Dipoles in Optoelectronic Traps》为题发表在光学领域国际知名期刊《Laser & Photonics Reviews》。研究工作得到国家自然科学基金和国家重点研发计划等的资助。本研究由北京理工大学机电学院博士研究生徐冰睿与硕士研究生马紫昂共同担任第一作者。北京理工大学集成电路与电子学院张帅龙教授与北京理工大学医学技术学院符荣鑫副研究员为共同通讯作者。相关研究得到了追光生物（深圳）的仪器支持（Optobot500光电微流控系统）。
原文链接：
Tuning Self-Assembled Topological Dipoles in Optoelectronic Traps
https://doi.org/10.1002/lpor.202501697
撰稿|课题组
