中外科學家攜手解決了一項困擾科學界多年的難題——用激光驅動宏觀物質(zhì)運動。科學家在現(xiàn)實條件下，首次實現(xiàn)了用脈沖激光在純水中驅動水流持續(xù)高速運動。
這一研究成果近日發(fā)表在《Science》（科學）雜志的子刊《Science Advances》（科學進展）上。
自1960年激光發(fā)明以來，其被廣泛應用于光纖通信中。但如何將光子的能量或動量轉化為宏觀作用力驅動物體運動，一直困擾著科學家們。因光子直接能量或動量傳輸作用力極為微弱，所以難以提供宏觀推動力。而光熱效應或光化學反應產(chǎn)生的間接推動力，對流體屬性有極高的要求，特別是水這樣的透明液體，對激發(fā)光吸收極少。
由電子科技大學、河南工程學院、美國休斯敦大學等中外高校組成的聯(lián)合科研團隊在普通的金納米顆粒非線性光學性質(zhì)實驗中，意外發(fā)現(xiàn)了一種奇特的光聲流體效應。在玻璃容器中，經(jīng)過一段時間納秒激光的照射，金納米顆粒水分散液會形成高速流動的流場。該流場方向與激光傳播方向一致，長度可貫穿整個10毫米玻璃器皿，在120毫瓦激光照射下，流速可達4厘米/秒，流場可持續(xù)近一小時之久。
這篇論文的主要作者，電子科技大學基礎與前沿研究院執(zhí)行院長王志明解釋說，光聲流體效應現(xiàn)象，其實是光聲效應和聲波驅動效應的結合，其“奧秘”在于“金納米顆粒”。進一步研究發(fā)現(xiàn)，玻璃器皿內(nèi)壁激光聚焦處產(chǎn)生了形如火山口并附著有大量金納米顆粒的微腔。金納米顆粒在脈沖激光的照射下會經(jīng)歷快速的、周期性的體積膨脹和收縮，產(chǎn)生超聲波。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(chǎn)生高速流動。
“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。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。”王志明說。
這一研究，為微流體芯片和激光遠程驅動等實現(xiàn)提供了可能。與傳統(tǒng)利用機械裝置產(chǎn)生超聲波來推動液體流動的方式不同，激光驅動流體技術可實現(xiàn)微米級別到厘米級別的流體控制，在微流體系統(tǒng)乃至可穿戴便攜式醫(yī)療設備中得到廣泛應用。據(jù)悉，研究團隊計劃下一步將對微腔形成過程展開深入研究。
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