电子科技大学王志明教授团队：激光驱动宏观流体

如何有效地利用激光驱动宏观物体运动一直是困扰科学界的一项重大难题。设想利用激光驱动液体流动：如果通过直接光子作用的动量传输或光镊技术可实现对于纳米至微米量级粒子运动的控制，但由于此类作用力极为微弱，无法适用于宏观物体；而间接的光热效应或光化学反应，对于液体的光吸收散射能力、光化学性能、以及表面张力等流体属性有极高的要求，通常是在特殊设计的微流体腔内可对微量的液滴进行驱动调控。

近期，电子科技大学的王志明教授团队与河南工程学院、美国休斯顿大学、美国哈佛大学、美国普渡大学等国内外高校的合作者提出了一种全新的光流体学机理，并成功地用脉冲激光在纯水中实现持续高速的水流。研究成果发表在Science Advances [3:e1700555,(2017)]上。视频链接https://v.qq.com/x/page/w0565ozqktw.html?new=1

该研究起源于对金纳米颗粒非线性光学性质的测量。研究团队意外地发现在传统Z扫描实验中若使用玻璃比色皿替代石英比色皿（图1A），经过一段时间纳秒激光的照射，金纳米颗粒水相分散液会形成高速流动的流场（图1B）。该流场方向与激光传播方向一致，长度可贯穿整个10毫米比色皿；在120毫瓦激光照射下，流速可达4厘米/秒，而流场可持续达小时之久。如论文开篇讨论，这些实验观察无法被已知的光流体效应所解释。
 

图1 激光驱动水流实验装置与结果

为揭开该现象的机理，研究团队设计了一系列实验，发现经纳秒激光照射后，比色皿内壁的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（图1C）。通过改变激光的入射聚焦条件和金纳米颗粒的尺寸、浓度，该微腔的形状、深度与所产生流体的速度、方向性均会发生相应的改变。并且，在产生稳定流场后，分散液中可测得持续数百纳秒的周期性超声波信号（图1D）。综合上述实验观察，研究团队提出了一种全新的光流体机理，有机地融合了两个基本的物理过程——光声效应和声波驱动流体效应（图2）。
 

图2 （A）光致超声和(B)超声驱动水流原理

实验中，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。金纳米颗粒在脉冲激光的照射下会经历快速、周期性的体积膨胀和收缩，从而产生超声波（光声效应）。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。值得注意的是，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。

激光驱动宏观流体这一突破性的实验发现结合了纳米光子学、声学、微流体学和材料科学，在光控微流体、激光推动、激光手术、激光清洗、物体输运等领域具有极为广泛的应用前景。现代生物化学、医学、生命科学等领域，通常需要对流体样品进行微流体操作，将流体样品的制备、生化反应、结果探测都集成到微流芯片上（芯片实验室）。与宏观流体系统类似，微流体系统也需要泵浦器等部件。目前，英国和美国引领着微流体系统的前沿研究。激光驱动流体的创新性实验发现为微流体系统设计提供了新的驱动方式，可促进新型微流体系统的开发，为我国微流体技术研究追赶世界先进水平做出贡献。

文章链接： http://advances.sciencemag.org/content/3/9/e1700555