在通常的认知里,一束光照在平静的水面上会发生反射,不会给水面造成任何影响,这也是我们能看到水中月、镜中花的原因。

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但从科学的角度来说,光在物体上反射时会产生压力,使物体变形,所以利用液体表面与光束的相互作用,诱使水面发生形变是完全有可能的,但这往往需要峰值功率达到千瓦级别的脉冲激光,且形变通常微不可察。电子科技大学基础与前沿科学研究所王志明教授携手亚利桑那大学物理系John R.Schaibley休斯顿大学包吉明教授通过合理的设计使液体表面发生明显形变,甚至可以使用激光“劈”开液体,这种大的表面形变在科学好奇心和技术应用上都很有意义。研究人员全面分析了光诱导表面变形的基本机制,研究内容以Molding, patterning and driving liquids with light为题发表在《Materials Today》上。

【光驱动液体的现象】

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文中以磁性液体作为研究对象,它具有很强的光吸收能力,可以被光“切”开,表现出显著的宏观凹陷。在1 W 532 nm连续激光照射下,1 mm磁流体层会发生强烈变形和均匀破裂现象。为了更好地理解变形机制,分别使用了三种不同波长但功率相同的激光下诱导表面变形。实验表明,激光波长越短,表面变形越快。文中主要讨论了532 nm激光波长下获得的实验现象。

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不可思议!电子科技大学王志明教授《Materials Today》:光驱动液体

【光驱动液体的原因】

激光诱导的热毛细作用是液体形变过程中的主要驱动力,一旦激光束与液体失去直接接触,辐射压力就会消失。磁性液体层上表面的流体快速由激光焦点向外流动,而底层液体则朝着光束中心向内流动,这一明显的对流现象进一步证实了该过程的热毛细作用。波长越短,光吸收越强,局部加热效应更加明显,从而产生更大的表面张力梯度,因而凹陷深度几乎随着激光功率的增加而线性增加

凹陷深度还与液体的厚度有关,液体厚度低于1mm时,激光照射后凹陷急剧增加,液体很快破裂,而厚度超过2.8mm时,液面则几乎没有凹陷。实验中所用铁磁流体是由悬浮在碳氢油中的超顺磁性纳米颗粒制成的纳米流体,没有外部磁场的情况下,它不会表现出任何磁性,且分散性良好,可以被看作是均质液体。因此可以利用铁流体的物理性质和计算流体动力学(CFD)模型来揭示大的表面形变与液体厚度的依赖性。表面张力强烈依赖于温度,因此很容易被激光改变,从而产生表面温度梯度。开发的流体动力学模型帮助研究人员理解表面形变机理,并有助于确定实现最大形变所需的相关物理参数。

【光驱液体的应用】

研究人员获得了铁流体的光学、热学和流体力学性质,然后系统地研究了这些参数对变形的影响。表面凹陷随着表面张力的温度系数成比例增加,而随着导热系数和热容的增大而减小,因为后者会降低表面温度梯度,此外,大的粘度将增强变形。根据CFD模型,表面变形效应不是铁磁流体所独有的,具备适当物理性质组合的流体都有可能在激光下出现显著的变形。实验表明,煤油可与铁磁流体相媲美泵油的粘度是铁磁流体的六倍,其性能也比铁磁流体好得多。使用染料来增加泵油的光吸收率,在自然光下就可以观察到泵油表面明显的形变。基于此,研究人员可以容易地使用低功率的激光器随意操控液体表面,构成不同的图案,甚至利用这种液体的光致变形特性驱动液滴运动

不可思议!电子科技大学王志明教授《Materials Today》:光驱动液体

【结论】

文中系统地研究了液面的光致变形现象,分析了材料物理参数对凹陷深度的影响,光热毛细作用是形变过程的主要驱动力。通过对液体的相关物理特性进行优化,可以随意操控液面形变,生成各种图案,甚至驱动液滴。这种非接触式的光学操作有助于跨学科的研究和广泛的技术应用。也许有一天,人类借助科技的力量真的能像神话里的人物那样,劈水为路,控水为剑,驱动液体,创造传奇。

文章来源:

Feng Lin et al, Molding, patterning and driving liquids with light, Materials Today (2021). DOI: 10.1016/j.mattod.2021.10.022

来源:高分子科学前沿

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