国防科普加油站（30）声学镊子：用声波“搬运”微小粒子

无形镊子，激发创新无限

镊子，是日常生活中用来移动细小物体的工具，如夹取毛发、细刺，用于修理钟表、实施外科手术等。对于那些肉眼看得见却用手抓不住的细小物体，普通镊子是一种很好的辅助工具。但是，如果是那些肉眼看不见、摸不着的物体如细胞或分子级大小的颗粒，普通镊子就无能为力了。随着生物技术、新材料技术等高新技术的发展，对细胞、分子级或纳米级微小物体的移动和操控，就成为摆在科学家面前的一道难题，人类探索未知和创新发展呼唤新的突破传统认知的工具，如夹取微小物体的新镊子。

问题永远是激发创新的催化剂。1986年，美国物理学家阿斯金提出了光学镊子技术，他利用光辐射压原理，发明了用激光来移动操纵原子、分子和生物细胞的方法，并将其推广到了生物学领域，有效促进了相关科技的发展。32年后，阿斯金的“光学镊子发明及其在生物系统的应用”，获得了2018年诺贝尔物理学奖。

能获得诺贝尔物理学奖的成果，无疑是“高大上”，但任何事物都是一分为二的。阿斯金的这一成果由于受其基本原理的限制，光学镊子仍存在诸多局限性。因为，光学镊子是以激光为动力源，其系统本身的尺寸不可能太小，又由于激光穿透性有限，光学镊子只能应用于透明介质。再者，激光源强度较大，运用时会对背景介质或细胞微粒产生损伤等。技术的局限性必将带来应用的局限性。那么，还有比光学镊子更好的“镊子”吗？

俗话说：只有想不到，没有做不到，科学探索更是永无止境。在阿斯金提出光学镊子概念5年之后，美国伯灵顿佛蒙特大学的吴君汝受此启发，在实验中利用两束聚焦声波产生的驻波场，实现了对270微米直径的乳胶粒子，以及一团青蛙卵的捕获及移动，首次从原理上证明了声学镊子的可行性。从理论发展的历程来看，关于散射体声辐射力的研究由来已久，直至1991年，科学家们才基于这一原理提出声学镊子的概念。它一经发现，便闪耀着灿烂的科学光芒，它还未“长大成人”，却引起世界科学界对该技术的极大关注和研究。此后，科研人员分别从原理、装置及应用等多方面对声学镊子技术进行了拓展和推动，使其向着操控精度更高，系统更加成熟，以及实用性更强等方向发展。

神奇特性，无与伦比

与光学镊子不同，声学镊子是利用声辐射力原理来捕获和控制微小粒子的一种前沿技术。声波的能量虽小，但它的单位输入下声辐射力却可以达到激光的10万倍。这样，声学镊子系统的尺寸就比光学镊子小得多。此外，声波是一种弹性波，可以在包括流体、固体等任何介质内传播，不受介质透明性、电磁特性等的影响。其能量和工作频率与医学领域的超声成像系统参数相当，可以实现对单个细胞或纳米颗粒的操作控制，同时保证生物体和目标粒子的安全。

从原理上来看，声学镊子可以分为驻波型、行波型和声流型等三种。驻波型声学镊子是通过多束声波相互叠加，在声场中产生强弱分布的驻波场，压力最大的一系列点成为波腹，压力为零的点则称为波节，只要声源特性不变，波腹和波节的位置不会改变。这样，当一个微小粒或单个细胞落入到这样的声场中，在声学辐射力的作用下，就将被“推”到波腹或波节位置，并“锁定”在那里，被“镊子”牢牢夹住了。然后，通过声源调节来改变波腹和波节的分布，从而将其移动到想要的地方。它还可以通过粒子特性与声源之间的相互关系，或改变声场特性，控制一个区域内微小粒子或单个细胞的筛选和分类。

行波型声学镊子是通过不同声场产生方式形成稳定的压力波节，从而捕获和控制目标粒子或单个细胞，而声流型声学镊子，则是利用微气泡或微结构的振荡，在声场中产生较强的声辐射力，从而实现对其中的细胞、微粒和微组织进行控制。

声学镊子操纵控制的微粒，尺寸可以小至1微米到大至1厘米，甚至小于1微米和大于1厘米的都可以操控。从维度来看，既可以实现一维和二维空间粒子的排列组合，也能实现粒子在三维空间的移动变换。目前的科学实验，已经实现了包括塑料微球颗粒、牛血细胞等微小颗粒的操作，甚至能对毫米尺度的线虫生物体进行捕获、移动和拉伸等控制。

从原理上讲，由于声波波长尺度跨度很大，在一定条件下，声学镊子完全可以实现对超越厘米级粒子的大尺度粒子和结构的捕获和控制。它不但可以控制微小粒子，还可以对流体介质产生影响，对于产生特定的流场环境也有很大的价值。

技术方兴未艾，应用潜力无穷

作为一种新兴前沿技术，声学镊子目前尚处于理论研究阶段，一些技术难点仍有待突破，但它的神奇功能和研发潜力已经引起科学家的关注和重视，尤其是世界科技强国，在这方面投入了大量人力、物力进行研究，其相关实验已取得重要进展，显示出声学镊子有着十分广阔的应用前景。

在生物医学领域，声学镊子对生物组织和目标粒子具有良好的安全性和操控性，它可以将药物分子定向运输到病变部位，又不会对其他生物组织器官造成影响和损伤，从而能够达到快速有效的治疗效果。与此同时，声学镊子还可以通过不同声波场的叠加，对不同细胞群进行分离、筛选和分类，实现对单个细胞特性和生长过程的观察和控制，使它在治疗肿瘤等重大疾病等方面具有先天优势，对促进相关重大医学研究和提高人类健康水平带来革命性突破。

在新材料领域，声学镊子可以通过对单个粒子运动状态的精确控制，科学合理搭配材料分子组成，如3D打印般制造出各种高精度的新型分子结构，并能实现对结构特性的完全自主控制，从而研发出人们所需要的高性能纳米材料和智能材料，促进新材料技术和人工智能技术的进步。

未来，随着声学超构材料技术等前沿技术的发展，声学镊子技术将实现重大突破，必将促进军事技术发展，对新军事变革产生重大影响。

——声学镊子可用来完成分子级高精度微型结构的加工制造，为微型无人机、迷你机器人、发动机高精度部件等高精尖武器装备和核心部件的研发，开辟新途径、提供新手段。

——利用声学镊子对粒子运动状态的精确控制和“如你所愿”的合理搭配，研制性能更好、抗腐蚀性更强的新型军用涂料，提高战机、舰艇等武器装备的隐身性能和防腐蚀能力。

——声学镊子对生物细胞和药物分子良好的安全操控性，将会促进战场快速医疗等技术的发展。

——声学镊子可对流体介质产生影响，将对战场环境建设提供新思路。

——声学镊子可通过对海洋战场环境的干扰和再造，实现对敌方目标运动轨迹的干扰和控制，在未来海上作战应用中堪当大任。（作者：高东宝，张亮永 来源：国防科技大学“科普中国”共建基地）