Для перемещения хрупких объектов не всегда можно использовать механические захваты и мощные оптические лучи. В качестве решения этой задачи физики разработали фотоэлектрический пинцет.
Оптические пинцеты предоставляют уникальные возможности для исследований в области физики, биологии и медицины. С их помощью можно манипулировать микроскопическими и хрупкими объектами, которые невозможно захватить традиционными методами.
Для функционирования подобных устройств необходимы лазерные лучи с высокой интенсивностью, сложные электроды и среда с низкой проводимостью. Эти факторы создают определенные ограничения препятствуют широкому применению оптических пинцетов.
Команда исследователей во главе с доктором Ду Сюэминем ( Du Xuemin) из Шэньчжэньского института передовых технологий (SIAT) Китайская академия наук разработала новый фотопироэлектрический пинцет ( Photopyroelectric Tweezer, PPT), основанное на использовании свойств световых и электрических полей для воздействия на материю. Исследование опубликовано в журнале The Innovation.
Ученые создали пинцет, включающий два основных элемента: источник лазерного излучения в ближней инфракрасной области спектра и систему, состоящую из жидкой среды и фотопироэлектрического субстрата.
Фотопироэлектрический субстрат формируется из композитных материалов, содержащих микрочастицы жидких металлов, галлия и индия. Ученые интегрировали эти материалы в поли(винилиденфторид-ко-трифторэтилен) ( LMPs/P(VDF-TrFE)), и покрыли слоем смазки с низким трением. Полимерный слой генерирует поверхностные заряды в реальном времени за счет фотопироэлектрического эффекта — явления возникновения электрического поля при облучении материала, а слой смазки снижает сопротивление движению и предотвращает экранирование зарядов проводящей средой.
Фотоэлектрический пинцет, разработанный с учетом всех нюансов, позволяет эффективно и надежно генерировать поверхностные заряды под воздействием инфракрасного излучения небольшой интенсивности – до 8,3 милливатта на квадратный миллиметр. Благодаря использованию такого излучения, исследователям удалось обеспечить значительное усилие при движении пинцета, достигающее 0,46 микроньютона, без применения лазеров высокой мощности, сложных электродов и дополнительных источников энергии.
Новый пинцет обеспечивает точное дистанционное управление манипулировать объектами из различных материалов (полимеров, неорганических веществ и металлов), состояний (пузырьки, жидкости и твердые тела) и геометрических форм (сферы, кубоиды и проволоки). Более того, он адаптируется к средам с широким диапазоном проводимостей и подходит для макроскопических платформ и для микроскопических систем. Созданная учеными система обеспечивает перемещения в областях от 5 микрометров до двух с половиной миллиметров, позволяет управлять твердыми объектами, каплями жидкостей и биологическими образцами, от отдельных клеток до их скоплений.
Новый фотопироэлектрический пинцет, разработанный учеными, расширяет перспективы в робототехнике, коллоидной химии, биологии и медицине, инженерии тканей и нейронауках.