本发明专利技术涉及使用全息光学俘获操纵和处理材料的系统和方法。具体地，提供了用于操纵具有一个或多个特性的粒子（纳米粒子、微粒子和皮粒子）的方法和设备，其中通过衍射光学元件（ＤＯＥ）调制激光束来形成光学陷阱。所述方法选择材料的至少一个特性；并产生激光束，该激光束具有与材料的所述至少一个选定特性相对应的选定波长。计算ＤＯＥ的值，该计算值对应于材料的所述至少一个选定特性。调制所述光束和所述ＤＯＥ，以产生全息光学陷阱，该全息光学陷阱具有与所述至少一个选定特性相对应的性能。所述陷阱被聚焦到一光束焦点或选定的光斑尺寸；并且所述光束焦点被定位在将粒子俘获在其中的粒子位置的附近。
【技术实现步骤摘要】
0008本专利技术涉及使用全息俘获来操纵和处理纳米材料、微材 半斗以及皮材丰斗(nanomaterial, micromaterial， and picomaterial)的系纟充禾口 方法。
技术介绍
0009纳米材料一般被描述为特征是其至少一个维度的尺寸处 于纳米区域的材料或者结构。这些材料具有很多和各种各样的应用。 纳米材料包括元素或单质材料(elemental material),例如诸如金的单 质原子块；以及更有序或规则的结构，例如纳米管和巴基球(buckey ball)。纳米管是中空、对称的物体(object),其由一个或多个原子或分子层组成，特别感兴趣的是由碳组成的纳米管。巴基球是中空的原 子球体或碳元素球体。纳米材料和有序的纳米结构的其它例子将在下 面讨论。0010纳米管是一种人们尤其感兴趣的纳米结构，因为它们非凡的机械、电子以及光学特性，这也使其具有广泛的应用。由碳形成的纳米管可提供高度的与碳结构相联系的多功能性(versatility),例如 与DNA分子连接(inteface)的能力。近十年来对纳米管的不断的研究 已产生难以计数的成功技术注入纳米管的绝缘材料可被转变为导体; 纳米管-增强材料正在被开发用于提高机械强度；研究者还生长出整齐 的纳米管巨型阵列，作为显示器中的电子发射器。0011其它应用着眼于利用碳纳米管的独特特性。这些应用包 括具有大弹性模量的无定形材料(bulkmaterial)、纳米管基的电子元件，以及使用纳米管来引导光的结构。0012在许多这些技术的发展中存在广泛公知的难题或挑战。 一个难题包括基于结构特性(例如这些结构的手征、直径、长度以及 其它特性)来分离或提纯纳米材料。最近的进展包括分离不同种类纳 米管，例如，利用DNA的特定键接或利用电泳现象。另一个严重的难 题涉及操纵纳米材料用于可控组装(assembly)、沉积以及定向或定位。 尽管存在用于特定类型沉积的方法，但仍然缺乏在三维上移动单一物 体和图案化大基团物体的能力。
技术实现思路
0013本专利技术基于对一种用光学陷阱操纵具有一个或多个特性 的材料粒子的方法的发现，所述光学陷阱是通过用衍射光学元件 (DOE)调制一束激光光束而形成的。根据本方法，选择材料的至少 一个特性；产生具有选择的、与材料的至少一个选择的特性相对应的 波长的激光光束；选择与材料的至少一个选择的特性相对应的DOE的 计算值；调制所述光束和DOE，以产生全息光学陷阱，其具有与至少 一个选择的特性相对应的特性；所述陷阱被聚焦；以及所述光束焦点 位于在其中俘获粒子的粒子位置附近。0014根据更进一步的方面，本专利技术包括观测陷阱的功能性；对应于该观测结果来重新计算DOE值，以调整功能性；以及重复观测 步骤和重新计算步骤，直到对至少一个选择的特性获得了满意的功能 性。0015根据本专利技术，陷阱的功能性可以通过塑造陷阱的形状而变化。本专利技术涉及操纵粒子的多个方面，包括一种或多于一种的以下情况0016将所俘获的粒子移动到所选择的位置；0017将所俘获的粒子的一部分附着到表面或另一个粒子上；0018对附着的粒子中选择的粒子有选择地加热，以在临近介 质中建立选择的流动图案；0019将粒子稳定在位置上；0020以陷阱能量来加热所述粒子；0021将粒子移动，以使其与最近的物体相碰撞；0022采用冲击波使粒子变形，以在最近的物体上打孔；0023以选择的图案排列粒子；0024有选择地加热以选择的图案排列的粒子，以建立临近介质的相应的选择的流动图案；0025在具有第一功能性的第一选择的陷阱中俘获粒子；以及 在具有第二功能性的粒子上叠置第二选择的陷阱；0026将粒子沉积在表面上；0027以垂直于表面的平行轴向排列将粒子沉积在表面上；0028以平行于表面的平行轴向排列将粒子沉积在表面上；0029从体表面移除粒子；0030从表面烧蚀掉粒子；0031依据粒子特性将它们分类，所述特性包括尺寸、形状、 长度、导电率、介电常数、折射率、手征性、热吸收率中的至少一个;0032对介质中的粒子进行选择性加热，以引起介质膨胀；0033对在其中具有一个通道的介质中的粒子进行选择性加热， 以引起介质的膨胀，从而关闭该通道；0034基于尺寸、功能性、吸收性、荧光性、手征性以及长度 来辨别粒子；以及0035响应于入射辐射，检测从粒子发射的能量。0036根据本专利技术的系统和方法允许工业聚合物和生物大分子 (biopolymer)被附着于纳米管和纳米结构上。这些高分子可依次先附着 到功能性胶质球体(fimctionalized colloidal sphere),该球体利于用光学 镊子或光钳来操纵纳米结构。此外，全息光学俘获然后可被应用于图 案化和控制衬底上或衬底之外的大量的纳米结构。0037根据使用全息光学俘获的本专利技术的系统和方法使多种用 于操纵和处理纳米材料和纳米结构的技术成为可能，并增强了这些技 术。0038本专利技术的一个示例性实施例包括使用光学俘获的纳米球 云(cloud)来控制纳米管的方法，其有利于操纵和图案化该管。全息 光学俘获在这一领域具有明显的优势，这是由于陷阱的形状可以任 意塑造；允许对纳米球云的细节控制，从而可允许对纳米管的更多方 面的操纵。0039本专利技术包括一种装置，其使用衍射光学元件(DOE)，例 如空间光调制器、数字光处理器或其它衍射元件，以及由其调制的激 光，来产生全息图来俘获纳米粒子。0040本专利技术还包括通过在此公开的方法和各种装置所生产的^z: 口 广B口 o附图说明0041图1是用于实践根据本专利技术的方法以形成光学陷阱的示 例性紧凑系统的部件0042图2说明图1的紧凑系统所附着其上的倒置显微镜 (inverted microscope);0043图3A描述了一种单壁纳米管的典型分布，该纳米管位于 目标样本内，目标样本相对于图1的光学俘获系统设置。0044图3B描述了一种单壁纳米管的典型基团(group),其通 过图1的光学俘获系统，并使用激光形成光对流陷阱(photo convective trap)而被聚集起来；0045图3C描述了多个帧的时间平均，其说明了在纳米管被沉积在衬底上之前，图1中所述的光学俘获系统以预定图案来移动俘获 的纳米管的能力；0046图3D描述了由图1的光学俘获系统产生的强光脉冲或猝 发，其在所聚集的纳米管被沉积在衬底上时使CCD照相机饱和；0047图3E描述了由图1的光学俘获系统，沉积到衬底上的纳米管；0048图3F描述了一幅明场像(bright-fiekUmage)，其说明了 所聚集的纳米管以特定图案通过图1的光学俘获系统的沉积；0049图3G描述了一幅暗场像(dark field image),其说明了通 过图1的光学俘获系统从一束纳米管中俘获和部分抽取纳米管绳或纤 维；0050图3H描述了另一幅暗场像，其说明了通过图1的光学俘 获系统从一束纳米管中进一步抽取示于图3G的纳米管绳或纤维；0051图3I描述了另一幅暗场像，其说明了通过图l的光学俘 获系统从一束纳米管中完全抽取示于图3G和3H的纳米管绳；0052图3J描述了几束纳米管的俘获和旋转，其是通过图1的 光学俘获系统来完成的，该系统被配置以产生光学漩涡(optical vortex)本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于在流体介质中操纵材料的方法，该方法包括下述步骤： 通过用动态光学元件（ＤＯＥ）调制激光束，来使用光学俘获装置，产生光学陷阱； 将所述材料沉积到流体介质中的表面上；以及 用所述激光束或所述光学陷阱，有选择地照射所述流体介质中的材料； 其中，所述材料是热吸收体并且在所述流体介质中被有选择地照射，以在所述流体介质中形成选定的流动图案。
【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：J普莱瓦，E坦纳，D米斯，L格鲁伯，K布拉德利，
申请(专利权)人：阿而利克斯公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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