“也許有一天，我們真的能像神話人物那樣‘劈水為路，控水為劍’，這種非接觸式的光學(xué)操作，也有助于跨學(xué)科研究和拓展廣泛應(yīng)用?！睂τ谛鲁晒?，電子科技大學(xué)教授王志明充滿暢想。

本次成果可從“水中月、鏡中花”說起，每逢農(nóng)歷十五月圓之夜，水面就能看見一輪和天上一模一樣的圓月，這便是大家熟悉的物理反射原理，同時也說明月亮光沒有給水面帶來任何影響。

（來源：Materials Today）

對于科學(xué)家來說，他要思考的是光照射到物體時，是否可以讓物體變形？也就是光是否可以驅(qū)動液體？答案是肯定的。在王志明團(tuán)隊的最新研究中，他們真的讓光變得可以驅(qū)動液體。

（來源：Materials Today）

首次在實驗上，觀察到激光和太陽光導(dǎo)致的液體宏觀形變和破裂

王志明介紹稱，本次論文一經(jīng)發(fā)表就受到眾多學(xué)者的關(guān)注，其研究意義在于突破了光控流體形變在微納量級的局限，首次在實驗上觀察到了激光和太陽光導(dǎo)致液體宏觀形變并破裂的現(xiàn)象。

在以往與光控液體形變相關(guān)的研究中，光熱效應(yīng)導(dǎo)致的液體形變往往發(fā)生在微納米量級的液體薄膜上，而且形變非常微弱，需要借助顯微手段才能觀察到。

（來源：Materials Today）

在該研究中，激光照射可實現(xiàn)毫米量級厚度的磁流體下凹形變甚至破裂，這種光致毫米量級厚度的液體發(fā)生肉眼可見的宏觀形變、甚至“切破”液體的現(xiàn)象，此前從未被觀察到。

為了探索該光致液體宏觀形變的機理，王志明團(tuán)隊通過 COMSOL（Comsol Multiphysics，多物理場）仿真，首次系統(tǒng)性地研究了影響光致液體下凹形變的多個物理參數(shù)，并優(yōu)化了液體最大形變的條件。

（來源：Materials Today）

他們發(fā)現(xiàn)，液體的厚度、表面張力的溫度系數(shù)、熱導(dǎo)、比熱容、吸光性和粘度等物理參數(shù)，都會對光致液體形變產(chǎn)生重要影響，尤其是吸光系數(shù)和液體的表面張力溫度系數(shù)。

（來源：Materials Today）

仿真結(jié)果顯示，其使用煤油、泵油和吸光染料制備出了光致宏觀下凹形變的新型液體，這些液體可在普通激光筆、太陽光或者激光投影儀作用下產(chǎn)生復(fù)雜的圖形。

為了凸顯這種光控液體宏觀形變的應(yīng)用前景，王志明團(tuán)隊還展示了激光搬運液體：當(dāng)激光光斑在毫米直徑的細(xì)管中垂直抬升液體時，激光可以操控液體表面的不同液滴，甚至可以遠(yuǎn)程操控液體表面液滴化學(xué)反應(yīng)的應(yīng)用。

可以說，該研究突破了光控液體形變的微觀局限，實現(xiàn)了液體毫米級的下凹甚至切割雕刻的形變，也系統(tǒng)深入地揭示了光控液體形變的機理和影響參數(shù)。

（來源：Materials Today）

研究中，他和團(tuán)隊還制備了一系列新型光熱毛細(xì)作用的流體，并展示了相關(guān)應(yīng)用實例，促進(jìn)了光流控領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)的發(fā)展。

該論文以電子科技大學(xué)第一單位發(fā)表在國際頂級期刊Materials Today上，并被期刊主編選為 Highlighted paper 作為亮點工作報道，論文題為《光驅(qū)動液體塑模、繪畫和運動》（Molding, patterning and driving liquids with light）[1]。

圖 | 光致液體圖形化形變和驅(qū)動液體（來源：Materials Today）

圖 | 研究成果被 Materials Today 作為 Highlighted paper 報道（來源：Materials Today）

光控流體研究最早可追溯到五年前

王志明表示，其團(tuán)隊在光控流體領(lǐng)域具有較長的研究歷程，最早要追溯到 2016 年，次年利用光致超聲的原理首次實現(xiàn)了激光對宏觀流體的高速驅(qū)動，解決了光流控領(lǐng)域長期以來無法實現(xiàn)激光驅(qū)動宏觀流體的難題，相關(guān)成果發(fā)表在Science Advances（Sci.Adv.3（9）2017）上，被期刊網(wǎng)站首頁報道并被Nature Photonics（Nature Photon.11，684（2017））作為研究亮點報道。

圖 |Science Advances官網(wǎng)首頁報道光致超聲驅(qū)動宏觀流體運動（來源：Science Advances）

本次研究亦是基于光流控領(lǐng)域相關(guān)研究的探索和延伸，期間經(jīng)歷現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)、機理探索、仿真計算、實驗表征等多個階段。

利用光切割或雕刻流體的項目，源于王志明團(tuán)隊在光流控研究中的一次偶然發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光照射較薄的磁流體時，磁流體被打出一個凹坑，甚至液體破裂到容器底部。

針對這一新奇現(xiàn)象，他和團(tuán)隊展開了活躍猜想和討論，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)大家普遍猜想是激光的光熱效應(yīng)，導(dǎo)致被激光照射液體的表面張力局部下降，周圍未被照射的液體具有較高的表面張力，并拉動液體向四周流動形成了液體的下凹，即馬蘭戈尼效應(yīng)。

但是，對于為何激光能在磁流體上產(chǎn)生如此巨大的形變、甚至切割液體，王志明團(tuán)隊一開始并不能完全理解。

（來源：Materials Today）

為了充分揭示磁流體在激光照射下宏觀形變的機理，團(tuán)隊中來自中美多所大學(xué)不同領(lǐng)域的專家教授展開廣泛合作，利用 COMSOL 軟件進(jìn)行了深入系統(tǒng)的仿真計算和實驗驗證。

針對液體厚度、表面張力溫度系數(shù)、熱導(dǎo)、比熱容、吸光性和粘度等物理參數(shù)對光致液體形變的影響，他們做了仿真系統(tǒng)計算。

基于仿真結(jié)果，王志明和團(tuán)隊進(jìn)行了廣泛實驗嘗試和驗證，最后發(fā)現(xiàn)煤油或泵油摻入吸光染料制備的液體，也具有磁流體類似的效果，進(jìn)而可被激光、激光圖形投影儀甚至太陽光切割。

為了展示光控磁流體宏觀形變的優(yōu)異特性，他們又設(shè)計了激光手寫、雕刻液體、激光搬運、抬升和驅(qū)動液滴定向運動的應(yīng)用。

有望用于遠(yuǎn)程精確驅(qū)動的微流控芯片

研究中，王志明團(tuán)隊也展示了一些基本應(yīng)用示例，比如借助激光和日光可以在液體表面雕刻圖形，還可讓激光搬運液體，讓激光驅(qū)動毛細(xì)管中的液體，讓激光驅(qū)動液體表面液滴、甚至驅(qū)動不同液滴發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的應(yīng)用。

（來源：Materials Today）

可以肯定的是在光流控領(lǐng)域，光致液體宏觀形變將產(chǎn)生廣泛應(yīng)用。目前，王志明團(tuán)隊猜想激光雕刻液體薄膜產(chǎn)生的圖形，可讓液體薄膜作為一種反復(fù)應(yīng)用、并直接書寫的掩膜版光刻應(yīng)用。

而激光在毛細(xì)管或液面驅(qū)動液體的運動，可作為一種光驅(qū)動液體的泵浦技術(shù)，從而用于遠(yuǎn)程精確驅(qū)動的微流控芯片。另外，液體表面在光斑作用下的下凹形變，可用作制備微透鏡的動態(tài)可調(diào)模具。

王志明表示，作為光學(xué)和微流控結(jié)合的新興交叉研究領(lǐng)域，光流控涉及背景知識廣、研究難度大，因此多所大學(xué)的不同領(lǐng)域?qū)＜叶紒韰⑴c，大家一起在物理原理分析解釋、數(shù)學(xué)分析、理論建模仿真等方面攻堅克難，最終才完成該項目。

圖 | 王志明（來源：王志明）

圍繞這項成果，他和團(tuán)隊還做了很多其他工作，在研究激光導(dǎo)致磁流體表面發(fā)生下凹形變的過程中他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液體厚度不斷增加，下凹形變將逐漸減小，當(dāng)液體厚度超過3毫米之后，液體下凹形變逐漸消失。

如果繼續(xù)增加液體厚度，激光照射液面將導(dǎo)致液體發(fā)生上凸形變。上凸形變高度受到光斑尺寸、激光功率、液體厚度等因素的影響。

這種液體在光照射下出現(xiàn)的反重力的上凸形變是自馬蘭戈尼效應(yīng)十九世紀(jì)中葉發(fā)現(xiàn)以來首次觀測到的顛覆現(xiàn)象，打破了馬蘭戈尼效應(yīng)導(dǎo)致液體下凹形變的固有認(rèn)知。

作為該項目的延伸拓展工作，相關(guān)成果已以封面文章發(fā)表于Materials Today Physics（21（2021）100558）上。

（來源：Materials Today ）

將進(jìn)一步揭示光致宏觀形變的物理原理

王志明認(rèn)為，除了開發(fā)后續(xù)的相關(guān)應(yīng)用，更應(yīng)該著重對流體的相關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行研究，進(jìn)一步揭示光致宏觀形變的物理原理，并制備出更多種類、更優(yōu)性能的光流控材料。

基于光致液體形變、光雕刻流體、光驅(qū)動液體運動等優(yōu)異性能，他和團(tuán)隊也將繼續(xù)開發(fā)更多更貼近工業(yè)化的應(yīng)用和產(chǎn)品，促進(jìn)基礎(chǔ)科學(xué)研究產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。

在國際合作與交流上，他也將繼續(xù)推動科研人員開展跨學(xué)科、跨學(xué)校、跨國別的合作研究，鼓勵團(tuán)隊中的青年教師和學(xué)生走出去，同時也邀請更多國際學(xué)者到中國訪問研究。

只有打破國際交流阻礙，打破知識領(lǐng)域桎梏，勇于踏足艱難的未知領(lǐng)域才能探索出新的知識，推動人類文明的進(jìn)步。

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參考：

1、Lin F, Quraishy A N, Li R, et al. Molding, patterning and driving liquids with light[J].Materials Today, 2021, 51: 48-55.