211service.com
Ingenjörer förvandlar en laserstråle till en ström av vätska
Lasrar är ett av 1900-talets ikoniska genombrott. De producerar koherenta fotoner i täta strålar av specifik energi. De kan överföra data, upptäcka molekyler och bränna igenom metall. Fotonerna de producerar har också ett betydande momentum.
Och det väcker en intressant fråga. Är det möjligt att överföra detta momentum för att generera materiastrålar såsom ett vätskeflöde? Inte förrän nu.
Jiming Bao vid University of Houston i Texas och några kompisar säger att de har upptäckt en helt ny optofluidikprocess som gör det möjligt att använda en laserstråle för att skapa en ström av vätska. Tekniken har utbredda tillämpningar inom mikrofluidik, biokemi, mikrotillverkning och alla processer som är beroende av lab-on-chip-teknologi.
Vad Bao och co har upptäckt är ett sätt att generera tätt fokuserade vätskeströmmar inuti en vätska. Denna upptäckt är något av en överraskning.
Laserljus interagerar vanligtvis inte med vatten, förutom vid ett gränssnitt med ett annat medium, såsom luft. Fotoner kan trycka mot ett sådant gränssnitt, även om momentumöverföringen är liten och säkerligen för svag för att driva vätskeflödet.
Men Bao och co fann att de kunde generera en ström av vatten inuti en större volym vatten om den innehöll guldnanopartiklar. De lyste en pulserande grön laser genom behållarens glasvägg och observerade efter några minuter en vätskeström som strömmade snabbt längs strålens riktning.
Flödena uppträder som vätskeanaloger av laserstrålar och rör sig i samma riktningar som de bryta strålarna som om de direkt drivs av fotoner från laserstrålar, säger Bao och co. Vi kallar detta fenomen för laserstreaming.
Detta är något av en överraskning, och nanopartiklarna är nyckeln. Om vattnet är rent – utan tillsatta nanopartiklar – passerar laserstrålen obehindrat igenom utan strömning alls.
Bao och co måste arbeta hårt för att avgöra vad som händer. Det visar sig att nanopartiklarna avsevärt absorberar grönt ljus, vilket är nära resonansfrekvensen för de elektroner de innehåller.
Detta gör att partiklarna värms upp och kyls ner med varje ljuspuls, expanderar och drar ihop sig under processen. Det genererar akustiska vågor i vattnet. Denna typ av ultraljud har länge varit känt för att flytta vätska i en process som kallas akustisk streaming.
Men ultraljud i sig garanterar inte flytande rörelse. Så något annat måste vara på gång. Bao och co säger att uppvärmningen och kylningen av nanopartiklar nära behållarens vägg får dem att binda sig till glaset. Med tiden blir nanopartiklarna korsade runt den punkt där lasern kommer in i vätskan och detta skapar ett slags nanokavitet på glaset.
Nanokavitet är nyckeln till detta fenomen. Av en underbar slump har hålrummet precis rätt storlek och form för att fokusera ultraljudet som genereras av de inkapslade nanopartiklarna. Med andra ord blir kaviteten en resonantkammare - en högtalare - som genererar en ultraljudsstråle. Bao och co säger att vätskeströmmen drivs av detta fokuserade, riktade ultraljud.
Det är en fascinerande upptäckt som kopplar samman nanofotonik, mikrofluidik, akustik och materialvetenskap. Och det har betydande konsekvenser. Förmågan att förflytta vätskor i mikroskopisk skala är avgörande för alla typer av lab-on-a-chip experiment. Det är också användbart för nanotillverkning och även för laserframdrivning.
Bao och co är optimistiska inför framtiden. Laserstreaming kommer att hitta applikationer i optiskt styrda eller aktiverade enheter som mikrofluidik, laserframdrivning, laserkirurgi och rengöring, masstransport eller blandning, för att bara nämna några, säger de.
Vi ser fram emot att kartlägga dess framsteg.
Ref: arxiv.org/abs/1708.05852 : Laserströmning: Förvandla en laserstråle till ett vätskeflöde