微/纳米冰镊操作器执行过程的数值模拟

　　近期, 国际上在微/ 纳米操作技术方面的研究如火如荼, 展示了一个有重大发展前景的前沿研究方向. 随着自然科学与工程技术向微型化趋势的快速迈进, 与此对应的微/ 纳米操作技术研究逐步引起了人们的广泛重视[ 1-6] . 操纵微小物体的工具, 一般称为微/ 纳米镊, 这是与宏观操纵过程中的机器手相比拟而得来的. 借助于微/ 纳米操作技术, 人们可以随意的加工和组装出三维MEMS 元件, 还可用以操纵微小生物学对象, 亦或是将其用于移动微机器人系统从而完成相应的实践活动; 纳米操作的目的则在于在更小尺度上的操作如分子组装, 以及对纳米尺度下的器件或生物学对象如DNA、蛋白质等进行操作以满足各种分析目的; 事实上, 在医学生物学领域[ 3 ] , 微操作技术已显示出关键作用, 比如人们可据此建立起无损的微手术器械及微小器官检测技术,以实现对微小生物样品如单个细胞、基因、蛋白质组等的操纵及刻画[ 4-5] . 在有些场合下, 为了获得对问题的清晰认识, 需要对微材料进行分拣, 如从一堆杂乱的碳纳米管丛中挑出符合规格的单根碳纳米管来进行检测和评价[ 6] , 这都需要极为精细的拾取方法.因此对微小物体的操纵, 当前已成为诸多研究与应用场合中极具挑战性的课题[ 1-2] .

　　在微/ 纳米操作研究方面, 迄今已有一系列形式多样的方法被相继提出[ 7-13] , 其工作原理大体基于机械、水力学、光压、超声、静电、电磁等效应或这些效应的组合[ 14-16] 实现. 发展微/ 纳米操作技术时, 需要兼顾操作器与对象之间相互作用的复杂度、精巧性、准确性及效率. AFM 是微/ 纳米操作家族中最为重要的工具之一, 已有许多作者讨论过它们的应用问题, 实现此类操作主要基于的是推动- 接触模式[ 9] , 即: 需要对物体进行操作时, 可将AFM 探针移至与对象接近的某个特定部位( 该位置事先并不确定, 需通过不断测量AFM 悬臂的变形来进行调整) , 再通过移动基底, 即可借助于静电力将对象推进到所需要的位置. 由于传统的原子力显微镜仅具备一个针尖, 不能对物体实施抓取及开展相关研究,因此这类操作仅限于简单动作如“推动” 及“ 剪切”,更复杂的任务如“ 拾取” 及“ 摆放” 等尚未被解决[ 2, 7-8] . 因此发展出可直接对微小物体实施抓取的技术具有十分重要的现实意义. 考虑到这一因素,Kim 及Lieber 采用碳纳米管, 实现了一种可操作和探测纳米对象的纳米镊, 但该技术还存在如Kim 及Lieber 所指出的问题[ 8] , 即这种纳米镊在液体环境下操作时并不十分有效. 通常, 一些生物学对象如细胞由于尺寸较小、含有水份, 且比较柔软, 对其操作更显难度. 人们为此发展了著名的光镊技术来对液体中的微小对象进行操纵[ 11-13] , 但该方法的一个不足在于, 操纵较重的对象时可能会无能为力, 而且,有时过强的激光束能量还可能给对象造成热损伤.除上述方法之外, 研究者们也从其他如机械、水力学、电、磁、声等效应出发, 提出相应的微/ 纳米操作技术. 比如, 基于静电力发展的微操作器[ 17] , 在操作液体微滴以控制相应的微反应方面很有用处; 还通过电磁微针对操作对象产生特定的磁场梯度, 由此通过所诱发出的静态或动态作用力, 来对物体实施拉伸或捕获行为[ 18] ; 但这需要预先完成颗粒的粘附, 实施起来并非易事. 以上研究显示了微/ 纳米操作研究的活跃性, 但也可以看出, 各自方法均存在一定的特殊适用性, 亟需更多有效的方法被提出.