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Small:光致气泡生长驱动微发动机的新机理

2020-7-12 10:41| 发布者: 郭孟月| 查看: 81| 评论: 0|来自: MaterialsViews

摘要: 我们乘坐的汽车由发动机驱动,发动机与人类生活密切相关。像心脏驱使全身血液流动一样,作为动力源头,微发动机大有用武之地,光驱人工智能机器人、将药物输送到人体病变部位、强化多股流体混合及化学反应、光流体器 ...
我们乘坐的汽车由发动机驱动,发动机与人类生活密切相关。像心脏驱使全身血液流动一样,作为动力源头,微发动机大有用武之地,光驱人工智能机器人、将药物输送到人体病变部位、强化多股流体混合及化学反应、光流体器件(光控泵、阀等)、调控太阳能系统的气泡动力学等都是微发动机应用的场景。
万物生长靠太阳,光具有非接触、无污染等优点,对周围环境不产生电磁干扰。然而,光驱发动机的研制并非易事。光照射表面时,“光颗粒”动量变化产生的力称为光压,光压太小,使其应用受到很大限制。有科学家进行了光压驱动液-液界面的实验,表明光压只能驱动表面张力小于10-7N/m的表面变形,该表面张力比水小9个量级。
为解决传统光压太小的问题,华北电力大学徐进良教授团队从理论上提出了间接光压的概念。光照射纳米流体时,由于纳米材料等离激元共振效应强化了光能吸收,产生气泡,当气泡尺寸大于光波波长时,光线在气泡表面传播遵循几何光学原理,产生折射和反射现象,气泡被分成向阳面和背阳面。向阳面液体蒸发比背阳面快,气泡膨胀引起气液介质间的动量交换,气泡表面受到指向中心的力。在与光线传播垂直的方向,蒸发动量力相互抵消,合力为0;沿光线传播方向,气泡不均匀膨胀产生了净合力。产生动量交换的介质是气液流体,不是“光颗粒”,因而光致气泡生长产生的力称为间接光压。传统光压与光强成线性关系,而间接光压与光强的二次方成正比,表明间接光压对光强变化具有很好的敏感性,为其应用提供了便利。

徐进良教授团队在Small发表的论文(DOI:10.1002/smll.202001548)给出了间接光压的理论表达式,提出了3个新的无量纲准则数,以表征间接光压相对于其它力的重要性。当气泡直径处于一定范围内,间接光压比气泡受到的其它力都大。脉冲激光垂直向下照射纳米流体时,已观测到气泡永远停留在水面下,从不溢出水面,打破了开式系统中气泡必须溢出水面的限制,该发现促使了光致气泡发动机的诞生。在脉冲激光ON阶段,间接光压为气泡提供了比重力加速度大3到4个量级的加速度,使气泡快速冲向水面深处,在激光OFF阶段,由于间接光压的瞬时撤销,气泡上浮。脉冲激光维持了气泡的往复运动,类似于活塞在气缸中的往复运动,光致气泡发动机为光流体的应用打开了广阔的空间。

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