近日，物理科学与工程学院王占山教授、程鑫彬教授团队的施宇智教授系统揭示了一种手性不均匀性诱导的自转向光力效应，加深了光与手性物质相互作用的认识。相关研究成果以“Self-Swerving Optical Force by Chiral Inhomogeneity”为题发表于国际顶尖材料学期刊《先进材料》（Advanced Materials），并被选为封面（back cover）文章。

手性是指物体与其镜像无法完全重合的现象，广泛存在于自然界中。例如，在生物医学领域，具有不同手性的分子可以表现出截然不同的性质，可能充当药物或毒素。手性光力是一种通用的、非侵入性的手性颗粒操控和探测方法。传统观点认为，手性光力的方向主要由光场属性决定，因此一般通过调控光的偏振、波长或强度来控制手性颗粒的运动。现有研究大多针对手性均匀的手性材料，然而，不管是自然的手性材料还是人工合成的手性材料，其手性往往是不均匀的，目前，手性不均匀对手性光力的影响尚不明确，极大地制约了手性颗粒精密操控技术的发展。

图1. 手性不均匀性诱导的自转向光力效应示意图。（a）不同手性梯度的颗粒在均匀线偏振光中产生方向相反的横向光力；（b）左右手性颗粒的显微图像；（c）分别置于界面中、表面和表面外的手性粒子上的不同横向光力的图示；（d）不均匀颗粒在光场中旋转时自发转向，而均匀颗粒不受横向光力。

研究团队通过理论模拟与实验验证，发现具有轴向手性梯度的颗粒在线偏振光场中，即使没有界面或结构光束的辅助，也能产生横向光力，且该力的方向会随着颗粒自身的旋转而自发反转，从而实现“自转向”运动。这一效应源于手性梯度导致的坡印廷动量守恒破缺，打破了传统操控中对光场结构或界面依赖的局限。                   

图2. 微米级手性颗粒在实验中的自切换行为观测。（a）颗粒在s偏振光下表现出双向运动；（b-c）颗粒旋转过程中散射图案动态变化，反映其取向变化；（d）运动轨迹清晰显示自切换效应；（e）速度分布符合热噪声统计特征；（f）不同尺寸颗粒均观测到正负交替的横向光力。

研究团队制备了具有手性梯度的聚合物液晶颗粒，实验观测到手性颗粒的自发转向行为。进一步，研究团队提出并设计了基于手性梯度超表面的光驱动机器人，展示了其在二维轨迹编程操控中的潜力。该研究不仅加深了光与物质相互作用的理解，也为手性探测、高级光学操控、微纳机器人及对映体选择性分选等应用提供了新思路与新平台。

同济大学施宇智教授与博士研究生赖成兴为论文共同第一作者。同济大学程鑫彬教授、新加坡国立大学仇成伟教授、西安交通大学胡飞教授和清华大学宋清华副教授为论文共同通讯作者。对论文具有突出贡献的合作者还包括同济大学王占山教授、魏泽勇副教授、何涛助理教授，以及博士研究生徐伟杰和李程峰，中国科学院西安光学精密研究所徐孝浩教授，西班牙马德里材料科学研究所Manuel Nieto-Vesperinas教授，意大利CNR纳米技术研究所Alfredo Mazzulla研究员，意大利卡拉布里亚大学Gabriella Cipparrone教授，香港科技大学陈子亭教授等。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202517678