Fundamental Research | 李宝军教授、杨先光副教授：激光诱导热对流用于碳纳米管的收集和清除

Fundamental Research 2022年第2卷第1期封面

激光诱导热对流用于碳纳米管的收集和清除

关键词：微纳光纤，热对流，微气泡，碳纳米管，光热效应

碳纳米管自1991年被发现以来，由于其独特的分子结构和电子特性，在电子学、光子学和量子物理等领域得到了广泛的研究。基于碳纳米管的各种高性能器件已经被开发出来，包括随机存取存储器、电化学储能装置和光伏电池等。近来，碳纳米管在生物医学中也发挥了重要作用。例如，利用碳纳米管的光致发光和拉曼散射特性，已经实现了原位生物传感和活体体内成像。功能化的碳纳米管是无毒的，可以进入生物细胞而不造成损害。因此，它们适合用于药物、蛋白质、DNA/RNA等生物大分子的靶向递送。此外，碳纳米管在可见和近红外波段的光热效应可以用来杀死癌细胞，以获得有效的治疗功效。尽管功能化的碳纳米管对细胞无毒，但研究表明，碳纳米管失去功效和活性后，其残留物会损害细胞的正常功能，甚至引发癌症。因此，一旦功能化碳纳米管发挥预期功效后，其收集和清除就非常重要。

收集方法有很多，包括光镊、介电泳镊、磁泳和热泳等。然而，由于碳纳米管在可见光和近红外波段具有很强的吸收，因此光镊很难收集到碳纳米管。介电电泳和磁泳需要设计电极或磁源，其捕获力的强度严重依赖样品的电磁特性。因此，通常需要对样品进行一些表面处理，以获得所需的电磁特性，增加了收集碳纳米管的难度。我们之前的研究表明纳米颗粒的大规模收集是通过激光诱导的涡流来实现的。这种方法简单、有效且颗粒不需要具有特定的属性，因此无需表面处理。然而，处于漩涡中纳米颗粒在收集后难以清除。因为通过涡流收集的纳米颗粒被移动到液体表面的边缘后，需与周围的液体隔离然后才能移出样品池。这种操作不仅复杂，而且还会导致纳米颗粒的残留。因此，研发一种能够有效收集且方便清除碳纳米管的方法具有重要意义。

在本研究中，我们通过波长为1550 nm的激光诱导热对流实现碳纳米管的收集（图1）。将锥形光纤的尖端浸入碳纳米管悬浮液中，由于尖端的光聚焦效应和水吸光后的光热效应，在尖端会产生微气泡。微气泡和悬浮液表面的温度梯度可以产生热对流。分散的碳纳米管通过对流移动，在光纤尖端牢固地聚集，从悬浮液中拿出锥形光纤可以很容易地移除碳纳米管。该方法有望用于生物医学中纳米药物残留的收集和清除。

图1. 光纤光热收集碳纳米管。

以上内容节选自期刊Fundamental Research 2022年第1期发表的文章“X. Yang, R. Xu, L. Wen, et al., Light-induced thermal convection for collection and removal of carbon nanotubes, Fundamental Research 2(1)(2022) 59-65”。

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主要作者简介

李宝军  暨南大学教授，纳米光子学研究院院长，广东省光学学会理事长，中国光学学会会士。长江特聘教授，教育部创新团队带头人，全国优秀科技工作者，被授予有突出贡献中青年专家荣誉称号。国家杰出青年科学基金获得者。曾获得国家自然科学二等奖，全国五一劳动奖章。

杨先光  暨南大学副教授，中国光学会和美国光学会成员。长期围绕微纳光纤开展光电子学研究，成功研制微纳光源、光波导和光电探测器。部分成果被普林斯顿大学JPCL主编和中美科学院院士等正面评价和引用。

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