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  技术动态    
激光驱动液体流动新机理发现
作者:cmh        来源:中国科技网-科技日报 
日期:2017-10-14    阅读次数:310
副标题:

       据 柯怀鸿、盛利 报道,仅通过光束,能否让宏观物体运动?12日,从电子科技大学基础与前沿研究院获悉,该院王志明教授团队与来自河南工程学院、休斯顿大学、哈佛大学等高校的合作者,发现了一种全新的光流体学机理,并成功利用脉冲激光在纯水中驱动持续高速的水流喷射。相关论文已在《科学前沿》在线发表并登上首页头条。
       高效地利用脉冲激光直接驱动液体流动,一直是困扰国内外科学界一大难题。王志明团队在发现这种全新光流体学机理的实验中,首先在溶液中加入金纳米颗粒,利用光声效应实现激光对液体的首次驱动; 随后将含有金纳米颗粒的液体替换成纯净水,再次利用脉冲激光照射后,发现其在纯水中依然可以持续、高速地驱动水流。
        为揭开这一神奇现象, 团队发现首次实验中玻璃皿内壁激光聚焦处, 会产生一个附有大量金纳米颗粒的微流体腔,而这个如同“火山口”的微腔,正是溶液替换后依然能被激光驱动的关键。 “这个‘火山口’连接了光声效应和声波驱动效应。” 王志明说,该微腔通过激光照射后,在金纳米颗粒和腔体的共同作用下, 可产生定向的高频超声波,通过声波驱动效应,驱动分散液产生高速流动可产生超声波并驱动液体流动。
      “这种全新的光流体机理,有机地融合了光声效应和声波驱动流体效应两个基本的物理过程,最终实现激光对液体的驱动。”他说,正是在这种原理下,一旦微腔形成,将金纳米颗粒分散液替换为纯水或其他溶液后, 激光依然可驱动其他液体流动。
        中外科学家携手解决了一项困扰科学界多年的难题——用激光驱动宏观物质运动。科学家在现实条件下,首次实现了用脉冲激光在纯水中驱动水流持续高速运动。

        延伸阅读:
        这一研究成果近日发表在《Science》(科学)杂志的子刊《Science Advances》(科学进展)上。
       自 1960 年激光发明以来,其被广泛应用于光纤通信中。但如何将光子的能量或动量转化为宏观作用力驱动物体运动,一直困扰着科学家们。因光子直接能量或动量传输作用力极为微弱,所以难以提供宏观推动力。而光热效应或光化学反应产生的间接推动力,对流体属性有极高的要求,特别是水这样的透明液体,对激发光吸收极少。 
       由电子科技大学、河南工程学院、美国休斯顿大学等中外高校组成的联合科研团队在普通的金纳米颗粒非线性光学性质实验中,意外发现了一种奇特的光声流体效应。在玻璃容器中,经过一段时间纳秒激光的照射,金纳米颗粒水分散液会形成高速流动的流场。该流场方向与激光传播方向一致,长度可贯穿整个 10 毫米玻璃器皿,在 120 毫瓦激光照射下, 流速可达 4 厘米/秒,流场可持续近小时之久。
       这篇论文的主要作者,电子科技大学基础与前沿研究院执行院长王志明解释道,光声流体效应现象,其实是光声效应和声波驱动效应的结合,其“奥秘”在于“金纳米颗粒”。进一步研究发现,玻璃器皿内壁激光聚焦处产生了形如火山口并附着有大量金纳米颗粒的微腔。金纳米颗粒在脉冲激光的照射下会经历快速的、周期性的体积膨胀和收缩,产生超声波。而在金纳米颗粒和腔体的共同作用下,定向的高频超声波通过声波驱动效应,驱动分散液产生高速流动。
       “金纳米颗粒附着的微腔,是连接光声效应和声波驱动效应的关键。一旦微腔形成,将金纳米颗粒分散液替换为纯水或其他溶液,激光亦可驱动其他液体流动。”王志明说。
       这一研究,为微流体芯片和激光远程驱动等实现提供了可能。与传统利用机械装置产生超声波来推动液体流动的方式不同,激光驱动流体技术可实现微米级别到厘米级别的流体控制,在微流体系统乃至可穿戴便携式医疗设备中得到广泛应用。据悉,研究团队计划下一步将对微腔形成过程展开深入研究。

    
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