光热马兰戈尼流对称性破缺驱动的微颗粒二聚体轨道旋转及其生物医学应用

本研究针对静态低功率密度光源难以实现微颗粒高速定向旋转的难题，提出通过不对称马兰戈尼流（Marangoni flow）驱动二聚体活性微颗粒（DAP）在水-气界面环形光阱中实现可控旋转。该技术利用非均匀光热效应产生不对称表面张力梯度，实现最高达1.5 mm/s的线性转速，且温升仅2.5 K，为微机器人、细胞递送等生物医学应用提供了低功耗新方案。

　　

在微观世界中，如何让微小颗粒像马达一样精准旋转一直是科学家面临的挑战。传统光驱动旋转依赖高功率激光传递光子动量，不仅能耗高，还会因局部过热损伤生物样本。而表面张力驱动的马兰戈尼流（Marangoni flow）虽能实现高效操控，却受限于对称性难以定向控制。这一矛盾严重制约了光学微机器在生物医学领域的应用。

中国科学技术大学的研究团队在《Optics》发表突破性成果，创新性地通过结构不对称性打破马兰戈尼流对称约束。他们将聚苯乙烯（PS）微球与光吸收颗粒（AP）粘结成二聚体（DAP），利用1064 nm环形光阱（功率密度仅0.13 mW/μm²）产生非均匀温度场。当AP吸热升温时，PS颗粒的物理遮挡使表面张力梯度出现空间不对称性，从而驱动DAP以可控方向沿光阱轨道旋转。关键技术包括：环形光束整形（axicon透镜产生直径可调Bessel光束）、界面温度场测量（荧光热成像精度±0.5 K）、旋转动力学分析（高速摄像追踪颗粒运动轨迹）。

不对称流场介导的DAP光热轨道运动
研究发现DAP旋转线性速度与激光功率呈正相关，在12.7 mW功率下达1.5 mm/s。通过COMSOL模拟揭示：PS颗粒直径增大至5 μm时，温度场不对称度提升47%，对应转速提高2.3倍，证实不对称性是驱动关键。

实验系统构建
采用60×水浸物镜（NA=1.1）搭建环形光阱系统，通过调节axicon透镜与物镜间距（26 mm）控制轨道直径（15-50 μm）。荧光标记测温显示界面温升仅2.5 K，远低于传统光镊系统。

马兰戈尼流驱动DAP旋转
实验实现DAP双向可控旋转（顺时针/逆时针），轨迹追踪显示转速波动<8%。引入Stokes拖曳力模型证明：当马兰戈尼流粘滞阻力（~10^-7 N）比静水阻力高2个数量级时，系统进入稳定旋转态。

结论与展望
该研究开创性地将结构不对称性与光热马兰戈尼流耦合，实现三大突破：① 创纪录的1.5 mm/s转速（同等功率下比传统光镊快30倍）；② 温升控制在2.5 K内，适用于细胞载运（实验证明酵母细胞存活率>95%）；③ 可扩展至三聚体等复杂结构操控。这种低功耗、低温升的微驱动技术，为活体细胞操纵、靶向给药等生物医学应用提供了新范式。