“几个月前，我的办公桌上放了(jin)个小塑料Ӟ里面有少量液态镓。我时不时观察一下，甚至摇一摇塑料瓶看是否会(x)引v液态镓的变化。过?jin)这么久样品仍处于液态，虽然其温度应该早已在 23C 的室温附q。所以，Z液态镓的器件ƈ不需要维持在 30C 以上Q在室温甚至更低温度下完全可以工作。而我们的实验均在普通室温环境下q行。?/span>
对于刚发表的新论文，U约州立大学布法|分校电(sh)气工E系教授刘强提到?jin)一件研I趣事?/span>
刘强Q来源：(x)刘强Q?/span>
同时他表C，自从用液态镓制备器g以来Q他才了(jin)解到液态镓是一U很有趣的物质。虽焉的熔Ҏ(gu) 30CQ但是液态镓q温度q远低于熔点Q仍可保持液态（cMq冷_(d)(j)?/span>
利用液态镓的多U良好物理特性，刘强和团队开创了(jin)一U基于液态镓的纳c_学分子传感器的新颖器件设计理c(din)?/span>
该器件结构不仅能实现h强光场局限的U米腔（x谓的“热点”，hot spotQ，而且具备独特且简便的制备和实验操作过E，q让被检分子能较高效地q入热点区域Q因此实C(jin)Ҏ(gu)量目标分子Q如单分子层Q的高灵敏度(g)?/span>
1 ?span lang="EN-US"> 6 日，相关论文以《基于液态金属的U米光子学结构用于高性能 SEIRA 传感》（Liquid-Metal-Based Nanophotonic Structures for High-Performance SEIRA SensingQؓ(f)题，发表?span lang="EN-US"> Advanced Materials 上，刘强担Q通讯作者?/span>
相关论文Q来源：(x)Advanced MaterialsQ?/span>
他表C：(x)“我们研I这cd子传感器的主要目的是xq生物分子的光学(g)技术和相关应用Q比如医疗诊断、健L(fng)等。?/span>
据?zhn)Q光学分子传感器不仅能实现高灉|度和高特异性的分子(g)，与基于化学反应的Ҏ(gu){其它类生物分子(g)技术相比，具备速度更快的优ѝ?/span>
同时Q该分子传感器还有诸多其它潜在应用，比如(g)污染物、有毒有害物质、或危险品?/span>
刘强说道Q“该工作展示?jin)在U米光学分子传感器领域，液态金属或具备qK应用I间Q因为利用液态金属不仅可实现优越的器件性能Q而且能简化器件制备和分子(g)操作流E，因此更加适用于实验室之外的各U应用场景。?/span>
“尝试了(jin)一个现在看来比较天真的x?/span>
研究背景要从传统U米光学传感器说赗传l纳c_学传感器大多Z由固态贵金属Q如金、银QŞ成的U米l构Q来增强光和被检物质之间的怺作用?/span>
q些q_(d)也有一些基于石墨烯{离子激元的器gl构在中U外波段昄Z的性能。M来讲Q在U米光学传感器领域，多年来的研究重点主要在于设计、ƈ制备h更强光场局限能力的U米l构Q以便不断增强光与物质的怺作用?/span>
在增强纳c_子结构对光场的局限能力上Q常见策略是~小热点寸。此前，各类hU米度、甚至亚U米度热点的光子结构已被成功展C?/span>
如果一些分子进入热点区域，p和光Z生很强的怺作用Q从而可通过量光谱其(g)到。但是，当光子结构的热点~小到真正的U米度Q尤其是和被(g)的目标分子的大相当的E度Q目标分子便很难q入到热点区域内?/span>
比如Q想要检某U溶液中的浓度极低的目标分子Q但是这些分子只能通过随机扩散q程q入U米度的传感器热点区域Q可惌知q一q程是非怽效的?/span>
Q来源：(x)Advanced MaterialsQ?/span>
最l能到达热点区域的目标分子数量可能非常有限，而绝大多数目标分子会(x)留在热点区域外，q对量所得的光信号基本没有A(ch)献?/span>
因此Q只注重~小传统U米光学传感器的热点寸、去提升光场局限度的策略，未必?x)提升器件的整体性能Q反而可能会(x)因ؓ(f)遇到分子输运瓉而适得其反?/span>
要想用更强的光场局域去增强光物怺作用Q就得实现更的热点l构。但是，更小的热点结构又?x)导致目标分子更难进入热点，q似乎是一个鱼与熊掌不可兼得的基本矛盾?/span>
当采用传l的先制备完整器件、再引入被检样品的Ҏ(gu)Ӟq一基本矛盾难以避免?/span>
然而，如果把被(g)样品先引入C“部分完工”的U米光学传感器的适当位置Q（“部分完工”是指纳c_度热点还未Ş成）(j)Q再对器件进行最后的“封”工作，以Ş成已囊括目标分子的纳c_度热点，上述矛盾则可q刃而解?/span>
理论来讲Q该Ҏ(gu)可用于各U纳c_学传感器上，但在实际操作上ƈ不易实现Q因为在传统Ҏ(gu)中，完全ZZ金属U米l构的器件制备过E既复杂、又苛刻。因此，先引入被(g)样品、再完成器gl构的流E，很可能与器g的纳c_备过E无法兼宏V?/span>
此次研究正是针对q一问题Q展CZ(jin)利用液态金属比如液态镓来Ş成纳c_子结构的一部分Q从而达成先把被(g)样品引到器件、再完成器g整体l构的目标，q而实C(jin)目标分子的高灉|度检?/span>
此外Q这U纳c_子结构的实现Ҏ(gu)便宜且便P只需用液态金属覆盖已引入被检样品的器g表面Q非帔R合在实验室之外的环境中操作Q因此有望带来广泛的应用前景?/span>
几年前，刘强团队p力于探烦(ch)如何解决上述减小热点度与将目标分子高效输运至热点之间的基本矛盾?/span>
他们q项工作最初的x仍然是用传l的完全Z固态金属的器gl构Q不同的是采用了(jin)新型器g制备的\Uѝ?/span>
“比如，我们先尝试了(jin)一个现在看来比较天真的xQ将一个表面已吔R目标分子的金U米H带的样品，与另一个表面是q箋金薄膜的样品直接压一P以尝试Ş成纳c_度的中红外谐振腔。ƈ在实验中用硅片作底，以保证样品的表面qx度。同旉择 1-octadecanethiolQ?span lang="EN-US">ODTQ作为目标分子，因ؓ(f) ODT 分子可以在金表面通过自主装Ş成致密的单分子层Q且是该领域内用以表征纳c_学传感器性能的常用目标分子之一。”刘C?/span>
但经q几ơ尝试后Q刘强和团队发现q种两个宏观尺度的刚性样品、用适当的力直接压在一起以形成U米谐振腔的x行不通，因ؓ(f)很难在够大的面U内形成在微观尺度上较ؓ(f)完美的表面接触，要知道完状态下表面间隙不会(x)出几纳c?/span>
当然Q刘强和团队仅用手工方式对器件施压，压力值ƈ不高。刘为，如果采用机械装置Q施加数倍数量以上的压力，也许可以形成U米谐振腔?/span>
但是Q那q不是一U理想的器g制备方式Q而且压力q高也可能会(x)D各种问题Q比如器件衬底碎裂，因此他们q未l箋探烦(ch)q一Ҏ(gu)?/span>
Q来源：(x)Advanced MaterialsQ?/span>
接下来，他和团队又尝试用电(sh)子束蒸发镀膜的Ҏ(gu)Q直接把金薄膜淀(wn)U到已经吔R单分子层的金U米H带上，从而Ş成具有纳c_度热点的中红外谐振腔?/span>
“但Z意料的是q个Ҏ(gu)也没有成功。尝试几ơ后Q我们发现原因很可能是单分子层在?sh)子束蒸发镀膜的q程中遭C(jin)破坏Q因此ƈ没有形成预期的纳c振腔l构Q要知道在样品反谱中，完全看不到预期的谐振腔特征峰。”刘道?/span>
于是Q他又尝试先在单分子层上Q用低温原子层沉U的Ҏ(gu)淀(wn)U一层几个纳c的l缘体保护层Q再q而用?sh)子束蒸发镀膜来淀(wn)U金薄膜?/span>
q一器g制备程较ؓ(f)成功C护了(jin)单分子层Q借此也测量到预期的分子红外振动模式所对应的吸收谱?/span>
“当?dng)我们知道q样的器件制备过E——即引入被测样品后再q行两步镀膜，在实际应用中q不现实。做q一步实验的主要目的是验证该器gl构是否可以工作Qƈ?jin)解其生的分子(g)信L(fng)大致强度。”刘充称?/span>
Q来源：(x)Advanced MaterialsQ?/span>
得到初步实验l果后，刘强又开始思考是否有非传l的器g制备Ҏ(gu)Q可在引入被(g)样品后无需镀膜工艺就能实现此cȝc_件结构?/span>
在此期间Q他从柔性电(sh)子器仉域的同行q期成果中得到启发，遂打用液态金属取代上q纳c_子结构中的连l金薄膜?/span>
对可选液态金属做完调研后Q他军_先尝试液态镓。镓是一U无毒性、熔点低Q?span lang="EN-US">30CQ、金属性较好、且相对廉h(hun)的金属?/span>
虽然固态金薄膜换成液态镓Q器件的工作机制没有本质变化Q但q一材料的替换大大简化了(jin)器g制备q程Q只需吸附了(jin)目标分子的金U米H带样品Q直接放|在液态镓的表面，便可能Ş成纳c振腔?/span>
刘强表示Q“做实验之前我们q不知道该想法是否可行。幸q的是，我的学生苗祥龙尝试了(jin)几次Q就取得?jin)不错的l果。虽然前几批器gq不完美Q但让我们看到这条\实行得通。?/span>
于是Q苗龙又展开多次实验Q不断优化器件制备和引入液态镓的操作过E，最l实验结果十分o(h)人满意：(x)q些Z液态金属的分子传感器，不仅制备程相对单，?span lang="EN-US"> ODT 单分子层的检灵敏度Q也高于此前报道的各U完全基于固态金属纳c结构的器g?/span>
Q来源：(x)Advanced MaterialsQ?/span>
虽然实验l果整体q不错，但该团队依然未能弄清楚几个细节，比如一个有现象是实验中观到的纳c振腔的谐振频率明N于仿真预倹{?/span>
管实验与仿真不能完全吻合也正常情况，但是刘强和团队认为当时看到的两者差别超Z(jin)正常范围Q因此应该不只是普通的实验与仿真不完全dQ而是有一些尚未发现的原因?/span>
l过一番更Zl的数据分析、实验验证和建模仿真Q该团队最l发C要原因是金纳c窄(jing)带的表面_糙度，致ɾU米谐振腔的有效厚度大于此前预期倹{?/span>
如果这一表面_糙度引入器件仿真模型中Q仿真与实验l果吻合得很好。这一发现也对刘强的下一步工作提供了(jin)很好的指|(x)即通过降低金纳c窄(jing)带的表面_糙度，或可q一步增器gl构的光场局限能力，从而提高器件的分子(g)灵敏度?/span>
曾以优秀毕业生荣誉获得清华电(sh)子工E学士学?/span>
刘强是一名清华校友，2007 q获得清华大学电(sh)子工E学士学位及(qing)清华大学优秀毕业生荣誉，后于 2012 q在国普林斯顿大学获得甉|工程博士学位?/span>
博士毕业后，先后来到瑞士苏黎世联邦理工学院量子电(sh)子研I所和物理系、以?qing)美国桑q亚国家实验室，做了(jin)两站博士后?span lang="EN-US">2017 q加入美国纽U布法罗大学甉|工程pLL授至今?/span>
未来Q他打算计划l箋设计新的器gl构Qƈ优化器g制备程Q比如之前提到的降低金结构的表面_糙度，以便q一步提高器件性能?/span>
另一斚wQ他也将使用q类器g做检真正生物分子的实验Q譬如h体内与某些疾病相关的蛋白质或 DNR/RNA 片段?/span>
其表C：(x)“做q类生物分子(g)的实验程Q肯定比之前(g)单?span lang="EN-US"> ODT 分子复杂Q所以需要一D|间进行尝试和摸烦(ch)Q以定一套可靠有效的操作程。同Ӟ对于器g的结构设计，我们也会(x)针对不同波长范围和分子大做?gu)整。?/span>
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