光镊技术进展及其在水泥基材料中的应用展望

受限于传统表征方法的能力,在建立硅酸盐水泥最主要的水化产物——水化硅酸钙(C-S-H)理论模型时获取的化学组成、结构参数等信息多是基于水泥颗粒群的测试结果。由于C-S-H的组成和结构极易受水化环境影响,C-S-H结构和组成的量化研究有待进一步优化。光镊技术作为一种可实现微小粒子无损捕获的技术,已被用于多个领域的单颗粒研究。将光镊技术引入水泥基材料领域,观测单个水泥颗粒的水化,有利于实现其水化条件的精准控制,降低不同颗粒间的相互影响。利用光镊技术从微米和纳米尺度直接获取C-S-H的形貌特征、化学组成及结构参数等信息,为进一步优化C-S-H纳米结构模型提供理论依据。按照捕获精度的不同,光镊技术经历了三个主要发展阶段:(1)常规远场光镊。多适用于捕获微米级粒子。其捕获对象以生物细胞为主,逐渐向有机和无机材料领域拓展。(2)近场光镊。利用近场光学的倏逝场,突破了传统衍射极限限制,实现了微米及亚微米尺度粒子的捕获。(3)纳米孔径光镊。主要基于自诱导反作用力(SIBA)效应,使得捕获精度提升至纳米尺度,降低了激光功率,减小了热损伤,丰富了光镊技术可操控的对象。目前三种光镊技术的捕获介质满足液体、气体与真空环境,捕获对象包含有机粒子、无机粒子和金属粒子等,理论上可满足各领域的研究要求。光镊技术能否捕获微粒与激光波长、光束功率、捕获介质、微粒性质等诸多因素相关。微粒性质主要与其折射率有关,折射率越大越有利于产生拉力,即梯度力。本文统计了已经实现捕获的部分微粒的性质,其物质折射率涵盖0.30~2.86。对水泥颗粒而言,其折射率在1.7左右,静止空气的捕获介质不会影响水泥水化,毫瓦级的捕获功率不足以损伤水泥颗粒,因此理论上可实现稳定捕获。本文综述了光镊技术的研究现状,重点探讨了其应用对象、操作环境以及操作精度的异同,提出了光镊技术在水泥基材料中的应用前景。