Optical Trapping and Manipulation of Neutral Particles Using Lasers pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:World Scientific Publishing Co Pte Ltd

作者:Ashkin, Arthur

出品人:

页数:914

译者:

出版时间:2001-6

价格:$ 205.66

装帧:Pap

isbn号码:9789810240585

丛书系列:

图书标签:

光学阱
激光操控
中性粒子
光学镊子
激光冷却
原子物理
纳米技术
生物物理
微观操控
光子学

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具体描述

This important volume contains selected papers and commentaries on laser trapping and manipulation of neutral particles using radiation pressure forces. These revolutionary optical techniques apply to atoms, molecules, dielectric particles, living cells and organelles within cells. They have made possible the cooling of atoms to the lowest temperature in the universe, the first demonstration of Bose-Einstein condensation of atomic vapors, the measurement of the driving forces of individual molecular motors, and the observation of their stepping motion. Only simple geometrical optics and semiclassical physics are used to explain the light forces and traps. The author is the discoverer of optical trapping and optical tweezers. With his colleagues he first demonstrated optical levitation, trapping of atoms, and tweezer trapping and manipulation of living cells and biological particles. This is the only review covering the entire scope of optical manipulation. The intention is to provide a selective guide to the literature and teach how optical traps really work.

《物质的量子操控与新材料的创制》第一章：引言：跨越尺度的物质调控本卷旨在深入探讨如何利用前沿物理学原理和精密工程技术，实现对物质在原子、分子乃至微纳尺度上的精准、非接触式操控，并以此为基础，探索在凝聚态物理、材料科学以及精密制造领域中的革命性应用。不同于传统的机械或化学方法，我们聚焦于利用能量场（如电磁场、热梯度、声波等）施加的微小但精确的作用力，实现对目标客体的动态、实时调控。本章首先回顾了人类历史上从宏观机械操作到微观层面力学控制的演进历程，明确了当前技术瓶颈在于如何以高保真度、低损伤的方式实现复杂结构的原位构建和功能化。我们将详细阐述“力”在微观尺度下的新定义，即不再是简单的推拉，而是通过势阱、梯度力、辐射压力等复杂相互作用的综合体现。第二章：场驱动力的物理基础与数学建模精确的操控依赖于对驱动力的深刻理解。本章将系统梳理驱动物质运动的几种主要场力机制，并建立严谨的数学模型。 2.1 电场与介电泳（Dielectrophoresis, DEP） DEP力是介质颗粒在非均匀电场中受到的净力，其大小和方向取决于颗粒与周围介质的介电常数差异、颗粒尺寸以及电场梯度。我们将详细推导静电场和交变电场下DEP力的表达式，并讨论频率依赖性对分离和捕获效率的影响。重点分析在微流控芯片中，如何设计电极结构以实现对特定生物分子或半导体纳米颗粒的动态排序和组装。 2.2 热梯度驱动：热泳现象的精细控制热泳（Thermophoresis）是颗粒在温度梯度场中定向迁移的现象，包括热泳（Thermophoresis）和热扩散（Thermodiffusion）。本章深入分析了颗粒表面电荷层与温度场相互作用的机理，特别是电热耦合效应在水溶液和非极性溶剂中的差异。我们将介绍如何通过集成微加热器阵列，构建可控的二维热流场，实现对胶体粒子群的“热聚焦”和“热引导”。 2.3 机械波驱动：声场中的流体动力学超声波和次声波在流体中产生的辐射压力和声流效应，为微粒操控提供了另一维度。本章重点讨论了声辐射力（Acoustic Radiation Force）如何与粒子尺寸、声波频率及声场分布相关联。我们将分析驻波场和行波场在颗粒捕获和分选中的应用，特别是零辐射力点（Acoustic Null Points）的设计与利用，以避免对敏感生物样品的损伤。 2.4 磁力梯度驱动与磁流变学对于具有磁性或可通过磁化诱导的颗粒，磁场梯度是实现远程、无接触操纵的核心手段。本章详细探讨了均匀磁场与梯度磁场对磁性颗粒施加的力矩和净力。内容涵盖了超顺磁性纳米颗粒的合成、表面修饰技术，以及如何利用亥姆霍兹线圈或微磁铁阵列，在三维空间中精确控制磁珠的运动轨迹，这在靶向药物递送和微型机器人的驱动中至关重要。第三章：多场耦合与集成化操控平台现代物质操控不再依赖单一力场，而是倾向于多场耦合以实现更复杂的功能和更高的集成度。 3.1 耦合效应的理论框架本章探讨了电-热、磁-光、声-电等不同物理场之间如何相互作用并影响颗粒的运动行为。例如，在电场驱动下，溶液局部温度的微小变化（焦耳热效应）如何改变颗粒的介电特性，进而影响DEP力的动态响应。我们将引入非平衡态热力学视角，对这些耦合现象进行定量描述。 3.2 微流控芯片集成：构建功能化“实验室芯片” 我们将详细介绍如何将上述物理操控机制集成到微纳流控平台上。重点讨论了芯片材料（如PDMS、硅基、玻璃）的选择标准，微纳加工技术（如光刻、蚀刻、软光刻）在构建复杂电极、加热器和声波换能器中的应用。案例研究包括：基于声电耦合的单细胞分选系统，以及利用磁场控制的自驱动微混合器。 3.3 实时反馈与闭环控制要实现高精度的动态调控，必须引入实时监测和反馈机制。本章阐述了光学显微技术（如明场、相差、荧光成像）与图像处理算法在实时跟踪颗粒位置和速度中的作用。随后，我们将介绍如何利用PID控制器或其他先进控制算法，根据反馈信号实时调整驱动场的参数（如电压、温度、磁场强度），从而实现对颗粒运动轨迹的精确“编程”。第四章：操控在先进材料科学中的应用精准的物质操控是新材料创制过程中的核心技术环节。 4.1 纳米结构的自组装与晶体工程通过精确控制颗粒间的相互作用力（范德华力、静电力、空间位阻等），利用场驱动力引导纳米颗粒进行定向连接。本章展示了如何利用DEP和热泳现象，在预设模板上构建具有周期性排列的介电或半导体纳米粒子阵列，例如用于构建光子晶体或超材料结构。 4.2 界面工程与异质结的构建在材料的异质界面处，性能往往会发生质变。本章讨论了如何利用磁力或声场，将不同性质的纳米片或纳米线精确地沉积、对齐到目标基底上，形成具有特定电子或光学性能的异质结结构。这对于开发新型太阳能电池、高灵敏度传感器和量子器件至关重要。 4.3 软物质与活性物质的模拟活细胞、细菌群落等活性物质的行为受到其内部代谢和外部环境的双重影响。本章探讨了如何利用非热性场（如低频电场或梯度磁场）来模拟或干预生物系统的自驱动行为，例如研究细菌群落的趋化性、或者诱导细胞骨架的重排，为生物物理学研究提供新的实验工具。第五章：挑战与展望尽管微纳尺度操控技术取得了显著进步，但仍面临诸多挑战。本章将总结当前技术的局限性，并展望未来的研究方向。挑战包括：如何在高通量操作中保持高精度；如何有效抑制布朗运动带来的随机性；以及如何将操控尺度进一步延伸至单分子水平。未来的发展方向可能集中于集成量子效应的操控（如利用零点能）、发展更精细的力场梯度发生器，以及将机器学习算法融入到操控系统的决策过程中，实现“智能驱动”。