中外科學(xué)家攜手解決了一項(xiàng)困擾科學(xué)界多年的難題——用激光驅(qū)動(dòng)宏觀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)?？茖W(xué)家在現(xiàn)實(shí)條件下，首次實(shí)現(xiàn)了用脈沖激光在純水中驅(qū)動(dòng)水流持續(xù)高速運(yùn)動(dòng)。
這一研究成果近日發(fā)表在《Science》（科學(xué)）雜志的子刊《Science Advances》（科學(xué)進(jìn)展）上。
自1960年激光發(fā)明以來(lái)，其被廣泛應(yīng)用于光纖通信中。但如何將光子的能量或動(dòng)量轉(zhuǎn)化為宏觀作用力驅(qū)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)，一直困擾著科學(xué)家們。因光子直接能量或動(dòng)量傳輸作用力極為微弱，所以難以提供宏觀推動(dòng)力。而光熱效應(yīng)或光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的間接推動(dòng)力，對(duì)流體屬性有極高的要求，特別是水這樣的透明液體，對(duì)激發(fā)光吸收極少。
由電子科技大學(xué)、河南工程學(xué)院、美國(guó)休斯敦大學(xué)等中外高校組成的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在普通的金納米顆粒非線性光學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)中，意外發(fā)現(xiàn)了一種奇特的光聲流體效應(yīng)。在玻璃容器中，經(jīng)過一段時(shí)間納秒激光的照射，金納米顆粒水分散液會(huì)形成高速流動(dòng)的流場(chǎng)。該流場(chǎng)方向與激光傳播方向一致，長(zhǎng)度可貫穿整個(gè)10毫米玻璃器皿，在120毫瓦激光照射下，流速可達(dá)4厘米/秒，流場(chǎng)可持續(xù)近一小時(shí)之久。
這篇論文的主要作者，電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院執(zhí)行院長(zhǎng)王志明解釋說，光聲流體效應(yīng)現(xiàn)象，其實(shí)是光聲效應(yīng)和聲波驅(qū)動(dòng)效應(yīng)的結(jié)合，其“奧秘”在于“金納米顆粒”。進(jìn)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(huì)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(qū)動(dòng)效應(yīng)，驅(qū)動(dòng)分散液產(chǎn)生高速流動(dòng)。
“金納米顆粒附著的微腔，是連接光聲效應(yīng)和聲波驅(qū)動(dòng)效應(yīng)的關(guān)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(qū)動(dòng)其他液體流動(dòng)。”王志明說。
這一研究，為微流體芯片和激光遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)等實(shí)現(xiàn)提供了可能。與傳統(tǒng)利用機(jī)械裝置產(chǎn)生超聲波來(lái)推動(dòng)液體流動(dòng)的方式不同，激光驅(qū)動(dòng)流體技術(shù)可實(shí)現(xiàn)微米級(jí)別到厘米級(jí)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(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。據(jù)悉，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃下一步將對(duì)微腔形成過程展開深入研究。
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