近日，中科院上海光機所光芯片集成研發(fā)中心研究團隊提出了一種“二維光驅動納米機器”模型，利用飛秒脈沖激光實現(xiàn)二維金屬納米片在二維固體表面定向操控，該工作解決了在非流體環(huán)境中實現(xiàn)光學操控微粒的難題，相關研究成果以“Photoacoustic 2D actuator via femtosecond pulsed laser action on van der Waals interfaces”為題發(fā)表于《自然·通信》（Nature Communications）。

光攜帶力來操縱粒子的想法可以追溯到開普勒和牛頓，后來被麥克斯韋證實。自阿瑟·阿什金等前輩的開創(chuàng)性工作以來，利用光束操控微型物體的研究在納米科學與技術的相關領域占據(jù)舉足輕重的位置。然而，光學操控技術主要在真空、空氣和液體環(huán)境中工作，用以減少環(huán)境阻力。在非流體環(huán)境（如強范德華界面）中實現(xiàn)光學操控微型物體仍然是一個很大的挑戰(zhàn)。

研究團隊利用傳統(tǒng)的機械剝離法在藍寶石襯底上制備了二維金屬納米片，利用光學顯微鏡將飛秒脈沖激光垂直輻射在納米片上：當脈沖激光照射時，二維納米片開始運動，并在均勻光照區(qū)域內持續(xù)運動，通過激光的移動來改變輻照區(qū)域，從而使二維納米片實現(xiàn)定向運動。由于襯底的存在，納米片的運動被控制在二維水平表面。通過對不同的二維納米片進行對比性實驗，研究發(fā)現(xiàn)，具有高的線性吸收系數(shù)和熱膨脹系數(shù)的金屬型材料（例如VSe2和TiSe2）才能在該光學操控系統(tǒng)中具有明顯的運動行為，目前運動效率可達到434 ms-1mW-1。

研究團隊通過數(shù)值模擬分析，揭示了二維納米片與襯底的界面中非對稱型空氣間隙的存在，能夠使得納米片在激光輻照下獲得足夠的溫度梯度，導致面內熱應力，從而在納米片表面產生夠強的彈性波，該彈性波把一部分動量傳遞給表面，使得納米片與波動量方向相反的方向平移。由此形成的光聲作用驅動機制，可以有效克服納米片與襯底之間的強范德華力和摩擦力，最終實現(xiàn)了二維金屬納米片在藍寶石襯底的水平表面上自由運動。

飛秒光操控二維納米片示意圖 該工作提出了在固體水平面上工作的二維納米光驅動器模型，有效地擴展了光學操控技術的應用環(huán)境，有望在光學、機械、納米技術等領域得到重要應用。 相關研究得到了國家自然科學基金、中科院戰(zhàn)略重點研究項目、科技部高端外國專家獎學金的資助。

審核編輯 ：李倩