2024年10月3日，由华南理工大学李志远教授、中南民族大学刘静博士、中国科学院光电技术研究所龙利博士和中央民族大学郭红莲教授组成的研究团队，在中国科学院一区top期刊ACS Photonics杂志发表题为Observation of Moon-like Synchronous Revolution and Rotation of Janus Microparticles Trapped in an Annular Optical Trap的论文（DOI: 10.1021/acsphotonics.4c00702）。研究团队利用红外激光束和锥透镜构成环形光阱，制备了具有不对称结构的Janus粒子，成功捕获并观察到Janus粒子在环形光阱（Annular Optical Trap，AOT）中有意思的同步转动。刘静博士和龙利博士是文章的共同第一作者，李志远教授为文章的通讯作者。

图1 “地月同步运动”VS“Janus-AOT同步运动”

在浩瀚的宇宙中，月球与地球的同步转动，即月球自转速度（周期）等于月球围绕地球公转的速度（周期），是自然界中一个令人着迷的现象，它不仅是潮汐锁定效应的经典例证，更是大自然赋予我们的壮丽景观。然而，在微观世界的深处，这样独特而协调的运动模式却极为罕见，难以被直接观测和研究。李志远研究团队成功地在微观尺度上再现了类似“地月同步转动”的奇妙现象，为我们揭示了Janus粒子在环形光阱中的独特运动规律。

Janus粒子，作为一类具有独特结构的金属-介电复合粒子，其表面一半为金属，另一半为介电材料，这种不对称性赋予了它们独特的物理和化学性质。在本次实验中，研究团队巧妙地将Janus粒子置于由红外激光束形成的环形光阱中。令人惊奇的是，这些粒子不仅沿着“环形光路”进行公转，还同时绕自身轴线进行自转，且公转周期与自转周期完全相等。这一发现并非偶然。研究团队通过严格的电磁理论和牛顿方程进行了深入的数值分析，发现Janus粒子所受的光力和热泳力及其力矩与其在光阱中的位置和取向高度耦合。这种独特的锁定现象正是源于光力和热泳力的协同和精细作用，共同克服了斯托克斯阻力和力矩，使Janus粒子能够自驱动地进行平动和转动，从而在微观世界中展现了“地月同步转动”的特殊现象。

图2 Janus粒子在环形光镊中的计算分析

这项研究成果不仅揭示了Janus粒子在微观世界中的独特运动规律，还深化了我们对金属-介电复合粒子与结构化激光束之间相互作用机制的理解。它为我们打开了一扇通往微观世界奥秘的大门，让我们得以窥见那些隐藏在日常生活背后的神奇现象。

此外，这项研究还具有重要的科学意义和应用价值。它为构建具有自驱动、自适应和生物相容性特性的细胞微马达提供了新的思路和方法，还有望在生物医学、材料科学、环境监测等领域发挥重要作用。例如，通过精确控制Janus粒子的运动轨迹和取向，开发出更加高效、灵敏的纳米传感器和药物输送系统，为人类的健康和环境保护事业贡献新的力量。未来，研究团队将继续探索Janus粒子在丰富多彩的光阱中多种运动模式和机制，以期在微纳机器人、生物医学和纳米技术等领域取得更多突破和进展。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.4c00702