在纳米尺度“写字”？北理工联合多团队创新：光电协同光镊+高灵敏成像

Authors & Affiliations：北京理工大学张帅龙教授团队、中国科学院化学研究所、中山大学、深圳市凯佳光学科技有限公司等。

研究背景：纳米器件组装，卡在“最后一步”

一维纳米结构（如纳米线）是纳机电系统（NEMS）、量子光子器件和生物界面中的关键构件，广泛应用于：

单光子源、量子器件

神经/细胞探针

超灵敏传感器

但一个长期存在的难题是：如何在“纳米精度”和“可编程、大规模制造”之间取得平衡？

传统光镊虽然具备非接触、高精度优势，但面对高长径比纳米线时常常失效：

形状细长→光散射力大，容易逃逸

传统光镊→需要高功率，易产生热损伤

电操控/表面方法→易粘附、难以三维操控、操控稳定性不足

“能抓住”≠“抓得稳、抓得准、还能规模化”

这类纳米尺度动态操控，对成像系统提出了极高要求：需在低光强下持续、稳定地捕捉目标姿态与运动轨迹，为精准操控与性能评估提供可靠支撑。

解决方案：光-电协同的 OEM 操控策略

研究团队提出了一种新的Optical Electro-aligning Manipulation（OEM）方法，将：

· 交流电场（AC electric field）

· 全息光镊（Holographic Optical Tweezers）

进行协同耦合，形成一个多物理场联合操控平台。

⚡电场做什么？

· 交流电场对纳米线产生取向转矩

· 让原本随机转动的纳米线自动对齐方向

· 把“随机问题”变成“确定性问题”

光镊做什么？

· 在纳米线已经“摆正”的前提下

· 用更低功率，实现稳定捕获与高速移动

先对齐，再操控，是稳定性的关键。

该系统以鑫图 Dhyana 400BSI V3为核心成像器件，凭借高灵敏度与高时间分辨率，可实时捕捉纳米线的取向调整与动态响应过程。

关键性能提升

在Ag、TiO₂、GaAs、InAs等多种纳米线上，OEM方法相较传统光镊表现出一致优势：

✅ 捕获成功率 ↑ 38%

✅ 所需激光功率 ↓ 50%

✅ 最大操控速度 ↑ 39%

这意味着：更稳、更快，还更“温柔”。

Dhyana 400BSI V3 凭借 95% 峰值QE与 1.1e⁻ 超低读出噪声，同时具备鑫图高可靠性制冷技术保障，可在弱光照明下保持高质量成像，确保实验数据准确、可重复。

纳米书法：不用光刻，也能“写”出复杂结构

在此基础上，研究团队展示了一种全新的应用场景——Nano-calligraphy（纳米书法），实现无光刻的精密图形构建。

单根纳米线写出“BIT”字样

绘制复杂图形（如中国龙）

最多7根纳米线并行操控，同步作画

图形分辨率达到亚微米级，全过程可编程、可重复。

这是一种真正的自下而上、无光刻纳米制造方式。

多目标并行操控需要被同时跟踪，Dhyana 400BSI V3 凭借 18.8mm大对角线视场，为复杂图形构建与多目标同步操控提供了关键支撑。

不只无机材料：还能“温柔”操控活体细菌

为了验证通用性和生物相容性，研究进一步将该方法用于：

枯草芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）

双歧杆菌（Bifidobacterium）

在低功率条件下，实现了：

· 定向排列

· 稳定捕获

单菌精准移动

电场辅助显著降低了光热损伤风险，为活体操控提供了更安全的选择。

Dhyana 400BSI V3具备 200–1100nm 宽光谱响应，可适配近红外光源，减少光效应对活体样本的影响。

论文相关信息

文章链接:http://www.nature.com/articles/s41378-026-01225-0

标题:Nano Calligraphy via Optical Electro-aligning Manipulation

关键词:Optical Electro-aligning Manipulation · Nanowire · Nano-calligraphy

全息光镊设备: 凯佳光科 SLM-HOT

多光阱操控，光阱数目可达上百个，且具备高均匀度和稳定性

利用空间光调制器SLM，控制移动操控点

高操纵自由度，三维操控，如粒子的旋转；新型功能光阱，光偏振态调制

数据采集相机：鑫图 Dhyana 400BSI V 3

背照式sCMOS，弱光信号捕获能力强

高帧率高动态，支持实时动态观测与轨迹追踪

卷帘快门控制功能，适配多物理场协同操控

系统集成友好，适配长期科研实验与系统集成

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