Science Advances：激光碟機動宏觀流體

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如何有效地利用激光碟機動宏觀物體運動一直是困擾科學研究界的一項重大難題。設想利用激光碟機動液體流動，如果通過直接光子作用的動量傳輸或光鑷技術可實現對於納米至微米量級粒子運動的控制，但由於此類作用力極為微弱，無法適用於宏觀物體。而間接的光熱效應或光化學反應，對於液體的光吸收散射能力、光化學性能、以及表面張力等流體屬性有極高的要求，通常是在特殊設計的微流體腔內可對微量的液滴進行驅動調控。

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http://www.video.uestc.edu.cn/Index/VideoDetailPage?pid=0&cid=18&vid=2334

圖1. 《Science Advances》官網首頁報道

近期，來自電子科技大學的王志明教授團隊與來自河南工程學院、美國休斯頓大學、美國哈佛大學、美國普渡大學等國內外高校的合作者提出了一種全新的光流體學機理，並成功地用脈衝激光在純水中實現持續高速的水流。該工作被選作首頁頭條文章在Science 子刊《Science Advances》官網報道（圖1），文章標題為「Laser streaming: Turning a laserbeam into a flow of liquid」。論文的預印本一經發布在網路論文平台arXiv.org上，馬上受到MIT Technology Review、Laser Focus World、Nanotechnology Now、AZoNano等數十家國際知名科技媒體爭相報道。

圖2. 激光碟機動水流實驗裝置與結果

該研究起源於對金納米顆粒非線性光學性質的測量。研究團隊意外地發現在傳統Z掃描實驗中若使用玻璃比色皿替代石英比色皿（圖2A），經過一段時間納秒激光的照射，金納米顆粒水相分散液會形成高速流動的流場（圖2B）。該流場方向與激光傳播方向一致，長度可貫穿整個10毫米比色皿；在120毫瓦激光照射下，流速可達4厘米/秒，而流場可持續達小時之久。如本文開篇討論，這些實驗觀察無法被已知的光流體效應所解釋。

圖3. 光致超聲和超聲驅動水流原理

為揭開該光碟機動現象背後的機理，研究團隊設計一系列實驗，發現經納秒激光照射，比色皿內壁的聚焦處產生了形如火山口並附著有大量金納米顆粒的微腔（圖2C）。通過改變激光的入射聚焦條件和金納米顆粒的尺寸濃度，該微腔的形狀深度與所產生流體的速度方向性均會發生相應的改變。並且，在產生穩定流場後，分散液中可測得一持續數百納秒的周期性超聲波信號（圖2D）。綜合上述實驗觀察，研究團隊提出了一種全新的光流體機理，有機地融合了兩個基本的物理過程——光聲效應和聲波驅動流體效應（圖3）。這裡，金納米顆粒附著的微腔是連接光聲效應和聲波驅動效應的關鍵。金納米顆粒在脈衝激光的照射下會經歷快速的、周期性的體積膨脹和收縮，從而產生超聲波（光聲效應）。而在金納米顆粒和腔體的共同作用下，定向的高頻超聲波通過聲波驅動效應，驅動分散液產生高速流動。更值得注意的是，一旦微腔形成，將金納米顆粒分散液替換為純水或其他溶液，激光亦可驅動其他液體流動。

激光碟機動宏觀流體這一突破性的實驗發現結合了納米光子學、聲學、微流體學和材料科學，在光控微流體、激光推動、激光手術、激光清洗、物體輸運等領域具有極為廣泛的應用前景。現代生物化學、醫學、生命科學等領域，通常需要對流體樣品進行微流體操作，將流體樣品的製備、生化反應、結果探測都集成到微流晶元上（晶元實驗室）。與宏觀流體系統類似，微流體系統也需要泵浦器等部件。目前，英國和美國引領著微流體系統的前沿研究。激光碟機動流體的創新的實驗發現為微流體系統設計提供了新的驅動方式，促進了新型微流體系統的開發，為我國微流體技術研究追趕世界先進水平做出了巨大推動作用。

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