空气悬浮颗粒的光学俘获及相互作用测量

Aerosol particles are a major type of pollutants in the atmosphere. Most of previous studies used macroscopic approaches; there was rare report on single aerosol particle level. A major difficulty of microscopic approach is how to manipulate single aerosol particles. Here we propose to use optical tweezers to trap single particles in air and study their dynamics and the interaction between them. 1. We will trap different types of particles (liquid droplets, both transparent and opaque solid particles) in air experimentally. We will also investigate the stability of the trapping of different particles with different laser modes through theoretical simulation and experiments. 2. We will trap liquid droplets and study the deformation of droplets due to optical forces. 3. We will manipulate several particles simultaneously to study the adhesion and collision between different particles to understand the process of aggregation. 4. We will study the force between two trapped particles as a function of the separation between them. The proposed project will deepen our understanding of the properties of different aerosol particles and the interaction between them. The manipulation technique developed in this project can also be used to assemble microscopic structures on a solid surface using aerosol particles.

空气悬浮颗粒是空气污染的主要成分，目前的研究大都基于宏观手段，而从单粒子层次进行研究的报道很少。微观研究的首要问题是如何操控单粒子。本课题提出建立俘获并操控空气中悬浮颗粒的光镊技术，并对颗粒的动力学行为和相互作用进行探索性研究。1、从理论上计算不同光场对液滴、透明固体颗粒和不透明固体颗粒的束缚可能性和稳定性，并在实验上实现对各种颗粒的稳定俘获，研究俘获条件和机理。2、利用光镊束缚小液滴，研究液滴在光场作用下的形变规律。3、通过光镊操控颗粒接触、碰撞，模拟颗粒的动力学行为，通过统计粒子碰撞后结合的几率，研究颗粒的聚集行为。4、操控颗粒接近到一定距离，测量颗粒间的相互作用。通过从单粒子层次对空气悬浮颗粒的运动行为和相互作用的研究，可以更好的了解颗粒的特性和规律，揭示更深刻的物理本质。同时，对空气中粒子的操控技术还可以在固体表面进行微纳米操控和组装等。

空气悬浮颗粒污染与人们健康的关系已成为社会各部门共同关注的话题。目前研究大都基于宏观手段。本项目提出从单粒子层次进行研究，主要研究对空气中的悬浮颗粒实现光学俘获的光镊技术，并对颗粒的各种粒径参数、动力学行为和相互作用等进行探索性研究。我们建立了俘获液相、气相悬浮颗粒的光镊技术，并光镊系统的刚度、稳定性等进行了理论分析和实验研究；矢量光场由于其特殊的偏振状态以及光强分布，可以用来俘获不透明颗粒，我们从理论上分析了矢量光场的聚焦特性和光强分布特点，并在实验上成功俘获了不透明的磁性微球，而磁性小球大量吸收激光能量后温度升高，可以用来杀伤癌细胞，有望将来应用于人类的肿瘤疾病的治疗中。我们还研究了动态光散射法测量空气悬浮颗粒的粒度，由于我们研究的颗粒受到激光的束缚，颗粒的运动不是自由布朗运动，所以需要进行修正，修正后我们得到了正确的粒径参数。最后，我们还建立了PM2.5控制策略和实施方案的仿真模型，通过我们的仿真研究及优化结果，有益于提出科学可行的政策建议和综合治理方案。