中外科學家攜手解決了一項困擾科學界多年的難題——用激光驅動宏觀物質運動。科學家在現實條件下，首次實現了用脈沖激光在純水中驅動水流持續高速運動。
這一研究成果近日發表在《Science》（科學）雜志的子刊《Science Advances》（科學進展）上。
自1960年激光發明以來，其被廣泛應用于光纖通信中。但如何將光子的能量或動量轉化為宏觀作用力驅動物體運動，一直困擾著科學家們。因光子直接能量或動量傳輸作用力極為微弱，所以難以提供宏觀推動力。而光熱效應或光化學反應產生的間接推動力，對流體屬性有極高的要求，特別是水這樣的透明液體，對激發光吸收極少。
由電子科技大學、河南工程學院、美國休斯敦大學等中外高校組成的聯合科研團隊在普通的金納米顆粒非線性光學性質實驗中，意外發現了一種奇特的光聲流體效應。在玻璃容器中，經過一段時間納秒激光的照射，金納米顆粒水分散液會形成高速流動的流場。該流場方向與激光傳播方向一致，長度可貫穿整個10毫米玻璃器皿，在120毫瓦激光照射下，流速可達4厘米/秒，流場可持續近一小時之久。
這篇論文的主要作者，電子科技大學基礎與前沿研究院執行院長王志明解釋說，光聲流體效應現象，其實是光聲效應和聲波驅動效應的結合，其“奧秘”在于“金納米顆粒”。進一步研究發現，玻璃器皿內壁激光聚焦處產生了形如火山口并附著有大量金納米顆粒的微腔。金納米顆粒在脈沖激光的照射下會經歷快速的、周期性的體積膨脹和收縮，產生超聲波。而在金納米顆粒和腔體的共同作用下，定向的高頻超聲波通過聲波驅動效應，驅動分散液產生高速流動。
“金納米顆粒附著的微腔，是連接光聲效應和聲波驅動效應的關鍵。一旦微腔形成，將金納米顆粒分散液替換為純水或其他溶液，激光亦可驅動其他液體流動。”王志明說。
這一研究，為微流體芯片和激光遠程驅動等實現提供了可能。與傳統利用機械裝置產生超聲波來推動液體流動的方式不同，激光驅動流體技術可實現微米級別到厘米級別的流體控制，在微流體系統乃至可穿戴便攜式醫療設備中得到廣泛應用。據悉，研究團隊計劃下一步將對微腔形成過程展開深入研究。
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