一种利用光镊控制玻璃态胶体系统中微粒运动的方法

技术领域

本发明涉及玻璃态技术领域，具体而言，涉及一种利用光镊控制玻璃态胶体系统中微粒运动的方法。

背景技术

玻璃态物质与我们生活息息相关，最常见的玻璃可能是家里的玻璃杯与建筑物上的窗户。然而玻璃态的概念却更为广泛，在胶体、高分子、泡沫甚至金属中都广泛存在。玻璃态在人类的生活中也是无处不在，在食品加工、工业工程应用、信息传输和生化研究等方面具有很大的应用。但至今我们对玻璃态的认识和理解还非常有限，仍然有很多最基本的问题未能被解决，而玻璃态的物理本质问题一直是人类有待解决的重大难题之一。

目前已有文章实现在胶体晶体中用光镊沿平面方向将单个粒子从晶格点拖出，可以产生点缺陷。由于移动光镊时会对样品有较大的影响，胶体晶体的规律性排列有较强的恢复能力，所以在光镊移取微粒之后，胶体晶体中的微粒可以恢复其原本的位置，不会影响后续的研究。但是由于胶体玻璃是无规律的复杂系统，上述的方法并不适用于移走玻璃态结构中的粒子，因为这一过程会在一定程度上扭曲局部区域，而这种扭曲对于非晶结构来说是毁灭性的。移动光镊对于胶体玻璃所造成的影响是不可逆的，胶体玻璃中的微粒在移动光镊之后无法回到其原本的位置，从而无法继续之后的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用光镊控制玻璃态胶体系统中微粒运动的方法，可以将胶体玻璃中的微粒移走，并且对于胶体玻璃结构的影响很小，为进一步研究玻璃态奠定基础。同时在微粒移走的过程中使用红外波段的激光，在操作过程中不会影响观察，可以持续使用显微观测系统进行观测。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出一种利用光镊控制玻璃态胶体系统中微粒运动的方法，包括以下步骤：

采用聚甲基丙烯酸甲酯颗粒制备胶体悬浮液，然后将胶体悬浮液制作成胶体系统；

采用激光束照射到胶体系统中的胶体粒子上，且让激光束的焦平面略高于胶体粒子中心，使用共聚焦显微镜系统对胶体粒子进行图像记录，通过数据处理软件对共聚焦显微镜系统的图像数据进行图像识别。

本发明至少具有以下有益效果：

本发明中，通过光镊将二维玻璃态胶体系统中的单个粒子移走而不影响其他粒子，不会破坏该区域原本的结构，并在原处留下一个空位，空位通过线状运动转化为准空位，并且产生的准空位可以继续诱发线状运动，将上层粒子填充至准空位所在的位置，准空位消失并且准空位所诱发的线状运动也随之停止，有利于进一步研究玻璃态。

附图说明

图1为本发明中激光束形成准空位以及胶体光学图像的示意图；

图2为本发明中光镊(激光束)控制玻璃态胶体系统中微粒运动的示意图；

图3为覆盖2600s的局部粒子轨迹图；

图4为覆盖2600s的分段局部粒子轨迹图；

图5为覆盖1400s的局部粒子轨迹图及分段局部粒子轨迹图；

图6为覆盖240s的局部粒子轨迹图及分段局部粒子轨迹图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考具体实施例来详细说明本发明。

一种利用光镊控制玻璃态胶体系统中微粒运动的方法，包括以下步骤：

采用聚甲基丙烯酸甲酯颗粒制备胶体悬浮液，然后将胶体悬浮液制作成胶体系统；

采用激光束照射到胶体系统中的胶体粒子上，且让激光束的焦平面略高于胶体粒子中心，使用共聚焦显微镜系统对胶体粒子进行图像记录，通过数据处理软件对共聚焦显微镜系统的图像数据进行图像识别。

光镊也被称为单光束梯度力光阱(single-beam opticalgradient force trap)，是通过一束高度聚焦的激光在空间中形成三维的势垒，可以俘获或者捕捉微小粒子。

将长时间的团簇集体运动以连续的时间段分开观察，可以看到粒子之间其实是相互连续的线状运动，一排粒子以线状运动的形式往其他位置移动。这个过程中，观测到的线状运动有连接性，而过程中有些被粒子隔开的自由空间，负责连接不同线状运动的自由体积，被称为准空位。准空位可以看成跟晶体系统中的空位差不多的概念，晶体中的粒子进行跃迁运动，从一个格点移去另一个格点时，空位会向反方向移动。

本发明中，通过光镊将粒子提升到上层，但是不移动激光束，而是让粒子自由扩散，这在二维玻璃态胶体系统中以准空位的形式产生了点缺陷，在邻近的局部区域具有最小的直接畸变，有助于将继续研究玻璃态。

详细地，聚甲基丙烯酸甲酯颗粒的直径分别为3.77μm和2.96μm。

使用尺寸不同的两种聚甲基丙烯酸甲酯颗粒组成系统，这是因为相比较于单一直径尺寸的聚甲基丙烯酸甲酯颗粒，两种不同直径尺寸的粒子可以抑制结晶，更加容易形成玻璃态。其中溶剂为水，这是由于聚甲基丙烯酸甲酯颗粒和水的密度以及折射率相对来说较近似，水不会影响胶体样品在显微镜下的动力学过程。

详细地，胶体悬浮液的制备方法为：将两种直径的聚甲基丙烯酸甲酯颗粒混合，且大小颗粒的浓度比为0.45：0.55，振荡5-10min。其中，聚甲基丙烯酸甲酯颗粒的表面有三羟基十八烷基硅烷涂层。通过设置涂层可以防止颗粒之间发生粘连，同时颗粒之间可以存在排斥力，进而可以将胶体系统看作玻璃态所需要的硬球系统。

详细地，胶体系统的制作方法为：先用适量去离子水润湿基片，取胶体悬浮液滴至基片上，盖上盖玻片，用胶水密封。采用胶水密封，可以防止基片上的胶体悬浮液流出，提高胶体系统的稳定性。

详细地，基片为氧化铟锡镀层的玻璃。其表面较光滑平整，胶体粒子在运动过程中受到的摩擦力几乎可以忽略不计，并且其透光率较高，非常适合在光学显微镜下进行观察。

详细地，激光束为光斑直径为2.0μm的脉冲激光束。

详细地，激光束的波长为1250nm，频率为1KHz，脉冲宽度为30fs。

本发明中，利用光镊控制玻璃态胶体系统中微粒运动的方法在玻璃弛豫中的应用，通过控制准空位的产生和消失进而控制玻璃的弛豫，给出了玻璃弛豫的微观解释，进一步加深了对于玻璃态微观原理的理解。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例

一种利用光镊控制玻璃态胶体系统中微粒运动的方法，包括以下步骤：

S1、胶体悬浮液的制备方法为：将两种直径的聚甲基丙烯酸甲酯颗粒混合，且大小颗粒的浓度比为0.45：0.55，振荡5min；

S2、胶体系统的制作方法为：先用适量去离子水润湿氧化铟锡镀层的玻璃基片，取胶体悬浮液滴至基片上，盖上盖玻片，用胶水密封；

S3、采用光斑直径为2.0μm的脉冲激光束照射到胶体系统中的胶体粒子上，激光束的波长为1250nm，频率为1KHz，脉冲宽度为30fs，让激光束的焦平面略高于胶体粒子中心；

S4、使用共聚焦显微镜系统对胶体粒子进行图像记录，通过数据处理软件对共聚焦显微镜系统的图像数据进行图像识别。

试验结果

如图1所示，(a)-(c)为准空位形成过程中的示意图，(a)聚焦在胶体粒子稍上方的光束施加一个向上的力；(b)光束施加的力将粒子从原本所在的平面中升起；(c)胶体粒子在上层扩散。胶体粒子会受到一个沿平面方向向上的力，粒子便可以在对周围粒子的直接扰动最小的情况下被抬升到原本所在的平面之上。然后这个粒子从被抬起的位置扩散到上层，在原来的位置上留下一个空位。

如图1所示，(d)-(f)为准空位形成过程中光学图像示意图，为了比较激光束移取粒子前后的系统，(d)中1标记位置处的粒子最初在原来所在的平面中，受影响的区域在(d)中用2标出，该区域最初包含四个粒子；(e)当激光束照射使其受到向上的力时，它被升起并且失去焦点；(f)胶体粒子扩散到上层的邻近位置。当粒子在激光束的光压下上升时，这个粒子就会失去焦点，变得黑暗和模糊，(e)中1所示。然后粒子扩散到上层相邻的亚稳态位置，这在二维玻璃态胶体系统中留下了一个空位，然而，空位相邻的粒子会迅速向空隙的中心移动，这使自由体积破碎，形成一个准空位，(f)所示。

结果表明：通过光镊成功地在不影响邻近局部区域的粒子的情况下，将指定的单一粒子移走，而不影响周围的粒子，并在原处留下一个空位。

如图2所示，当激光光照射到胶体粒子上产生了让粒子向光束的焦点处移动的推力或者拉力，由此实现捕获粒子。当激光束的焦点聚焦到粒子中心的上方的时候，粒子就会受到一个向上的力(F)；当激光束的焦点聚焦到粒子中心的下方的时候，粒子就会受到一个向下的力(F)。其原理是：当激光束照射到粒子上时，会同时有散射力和梯度力作用在粒子上。散射力(F

本发明在使用光镊移走二维玻璃态胶体系统中的一个粒子后，继续对系统进行采集数据，并根据数据做出二维玻璃态胶体系统粒子的轨迹图。

如图3所示，是光镊移走粒子附近的局部轨迹图，这是粒子激发之后2600s的全部时间的轨迹图。其中，虚线圆圈标识了被移除粒子原本所在的位置，可以看出从被移除粒子原本所在的位置开始发生了线状运动，可以观察到准空位在产生之后，并没有停止不动，而是引发了线状运动，并随着线状运动不断移动，引起了该局部区域的玻璃弛豫。

为了探究这个区域内的运动的详细情况，将覆盖2600s的局部粒子轨迹图按时间分段，分为连续的时间接近的时间段的轨迹图。

如图4所示，可以清晰地观察到产生的准空位在每一个时间段的运动情况及其所在的位置。从图4(a)中可以看到1所标注的位置即为产生的准空位所在的位置，其尺寸大约为一个粒子大小，它跳跃了两个粒子的距离，完成了从1位置至2位置的跳跃。图4(b)中准空位又跳跃了两个粒子的距离，从2位置跳到了3位置。图4(c)中，准空位跳跃了三个粒子的距离，从3位置进行了长距离的跳跃到达4位置。图4(d)中，准空位跳跃了三个粒子的距离，从4位置进行了长距离的跳跃到达5位置。在这些跳跃过程中可以看到有些跳跃是先跳回了原来的位置之后又进行的跳跃，这种现象在其他样品的结果中也被观察到。

如图5所示，同样是在使用光镊移走二维玻璃态胶体系统中的一个粒子后的样品，继续对系统进行采集数据，并根据数据做出二维玻璃态胶体系统粒子的轨迹图。如图5(a)所示，这是粒子激发之后1400s的全部时间的轨迹图。其中虚线圆圈是标识了被移除粒子原本所在的位置。同样可以看出从被移除粒子原本所在的位置开始发生了线状运动。

图5(b)-(f)为图5(a)的分段图，从分段图中可以清晰地观察到产生的准空位在每一个时间段的运动情况及其所在的位置。从图5(b)中可以看到1所标注的位置即为产生的准空位所在的位置，其尺寸大约为一个粒子大小，它跳跃了两个粒子的距离，完成了从1位置至2位置的跳跃。图5(c)中准空位又跳跃了两个粒子的距离，从2位置跳到了3位置。图5(d)到图5(e)中，准空位跳跃了一个粒子的距离，从3位置到4位置再到5位置，准空位进行了一个粒子距离的重复跳跃。图5(f)中，准空位跳跃了五个粒子的距离，从5位置进行了长距离的跳跃到达6位置。

如图6所示，同样是在使用光镊移走二维玻璃态胶体系统中的一个粒子后的样品，继续对系统进行采集数据，并根据数据做出二维玻璃态胶体系统粒子的轨迹图。如图6(a)所示，这是粒子激发之后240s的全部时间的轨迹图。其中虚线圆圈是标识了被移除粒子原本所在的位置。同样可以看出从被移除粒子原本所在的位置开始发生了线状运动。这个样品中可以观察到较短但是重复的粒子跳跃，说明这是在跳跃中十分常见的。

图6(b)-(c)为图6(a)的分段图，从分段图中我们可以清晰地观察到产生的准空位在每一个时间段的运动情况及其所在的位置。从图6(b)中可以看到1所标注的位置即为产生的准空位所在的位置，其尺寸大约为一个粒子大小，它跳跃了一个粒子的距离，完成了从1位置至2位置的跳跃。图6(c)中准空位又跳跃了两个粒子的距离，从2位置跳到了3位置，准空位同样进行了一个粒子距离的重复跳跃。

通过对多次实验的轨迹图进行探究，可以清晰的观测到形成准空位之后，粒子开始跳跃，形成了线状运动，形成的准空位诱发了线状运动，同时准空位沿着线状运动的轨迹，与粒子同时但逆粒子运动方向移动。并且在粒子跳跃的过程中，每一段线状运动轨迹的开始的位置都是上一段线状运动轨迹的结束的位置，第一段线状运动轨迹的开始的位置正是光镊系统移取粒子的位置。这说明，激光诱导产生的准空位与线状运动具有强相关性，而深度过冷胶体玻璃中的线状弛豫起源于准空位，并且在长时间内主导玻璃动力学。由此可见，可以通过控制准空位的产生和消失进而控制玻璃的弛豫，给出了玻璃弛豫的微观解释，进一步加深了对于玻璃态微观原理的理解。

综上所述，本发明实施例的利用光镊控制玻璃态胶体系统中微粒运动的方法，通过光镊将二维玻璃态胶体系统中的单个粒子移走而不影响其他粒子，不会破坏该区域原本的结构，并在原处留下一个空位，空位通过线状运动转化为准空位，并且产生的准空位可以继续诱发线状运动，将上层粒子填充至准空位所在的位置，准空位消失并且准空位所诱发的线状运动也随之停止，有利于进一步研究玻璃态。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。