Science 子刊：激光驱动液流技术！

1960年第一台激光器的诞生标志着光电技术进入了一个新的领域，然而随着光学技术的蓬勃发展，传统的固体光学器件难以满足日益增加的微型化、集成化、可调化等现代光学技术的发展，同时对激光操纵技术和驱动技术带来了更大的挑战，尤其是激光驱动液体流动技术。

对于通常的液体来说，尤其是水和一些有机溶液，都是各向同性的，几乎对光没有散射作用，即使激光束将所有的动量都转换给液体，对于产生一个可以驱动微流控装置的液体流动来说也是非常微弱的，所以无论是在理论上还是在技术上，将激光束转换为宏观射流都是具有挑战的。

有鉴于此，电子科技大学基础与前沿研究院王志明教授团队和河南工程学院张秋慧博士联合美国休斯顿大学、美国哈佛大学、美国普渡大学等提出了一种全新的激光驱动液体射流的理论，并且从实验上实现了纯水的持续高速喷射，而且射流方向可控。

图1. 实验装置示意图和激光不同入射方向时产生的射流

研究人员将527nm脉冲激光（ t _p =150ns,f=1kHz）聚焦（透镜焦距为10cm）在装有50nm 金颗粒溶液（0.03mg/mL）的玻璃比色皿（10mmX 10mm） 前表面，由于局域表面等离子体共振效应（50nm金颗粒表面等离子体共振位于527nm附近），金纳米颗粒大量吸收入射激光能量，经过几十秒或几分钟的持续辐照，比色皿中溶液被激光推动发生流动，不仅流动速度越来越快，而且流动距离越来越远，直到产生一个足够长的持续高速喷射流(图1)，液体流动可以从比色皿前表面持续到后表面（图2a和b）。如果改变入射激光方向，则液体射流和入射激光方向一致，实现了射流方向可控（图1c、d、e、f）。

图2 激光正入射时，不同能量激光作用下射流流场

当射流达到高速持续稳定状态后，我们将金颗粒溶液取出放入纯水，同样可以产生高速射流，而如果在整个过程中仅仅只使用纯水溶液，无论辐照时间多长均不会出现射流现象，所以在射流的产生过程中金颗粒起到了关键的作用。在激光和金纳米颗粒的共同作用下，在比色皿内表面形成了一个类似火山口的腔，并且腔内吸附大量金纳米颗粒，由于光声效应和腔的存在，吸附的金纳米颗粒在激光的作用下产生定向超声，定向的高频超声波通过声波驱动效应，驱动液体流动产生高速射流。

图3 激光产生微腔扫描电镜结果和高速稳定流射产生时超声谱

激光驱动液体射流技术将激光技术、流体力学技术和材料科学进行了有机结合，开辟了全新的液体驱动技术领域，其发展将推动光电、生物、化学、医学、流体、材料、机械等交叉学科领域的发展。该技术在光控微流体、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。目前，如何有效驱动以适应更多应用，以及驱动速度和稳定性还是一个难题，这也是我们下一步研究的重点和难点。

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