自1960年激光發(fā)明以來(lái)，它們總是發(fā)出熱量，或者作為一個(gè)用途廣泛的工具，一種副產(chǎn)品，也經(jīng)常以一種虛構(gòu)的方式被用來(lái)征服銀河系的敵人。
但是這些激光束卻從來(lái)沒(méi)有用來(lái)冷卻液體。華盛頓大學(xué)的研究人員首次解決了這個(gè)存在了幾十年的難題，他們?cè)诂F(xiàn)實(shí)條件下，實(shí)現(xiàn)了用激光冷卻水和其它液體。
這一研究成果發(fā)表于11月16日出版的《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊上》，該團(tuán)隊(duì)利用紅外激光將水冷卻到36華氏度，這是該領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破。
“如果你看過(guò)電影星球大戰(zhàn)，就會(huì)知道電影里面的激光炮能夠使物體升溫。而這一次，是首次利用激光束在日常條件下冷卻像水這樣的液體，” 這篇論文的主要作者，也是華盛頓大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)助理教授Peter Pauzauskie說(shuō)。“這種做法是否能夠成功，確實(shí)是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題，因?yàn)槲覀兌贾溃还馐樟粒蜁?huì)變暖。”
這個(gè)發(fā)現(xiàn)能夠幫助工業(yè)領(lǐng)域，利用集中光束在一個(gè)微小的面積里實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)冷”操作。舉個(gè)微處理器的例子，可能會(huì)有那么一天，使用激光束來(lái)冷卻計(jì)算機(jī)芯片中的特定部件，以防止過(guò)熱，這樣也能讓信息處理的效率更高。
科學(xué)家們也能利用激光束，在細(xì)胞分裂或自我修復(fù)時(shí)，通過(guò)精確地冷卻細(xì)胞的一部分，減緩它們的分裂和自我修復(fù)過(guò)程，從而讓研究人員有機(jī)會(huì)了解細(xì)胞是如何工作的。也可以在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中單獨(dú)冷卻一個(gè)神經(jīng)元——只是讓這個(gè)神經(jīng)元不再活躍，并沒(méi)有損害它——通過(guò)這種方式來(lái)了解附近的神經(jīng)元如何繞過(guò)它以及實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)。
“對(duì)于細(xì)胞如何分裂，分子和酶如何實(shí)現(xiàn)它們的功能，還有許多令人感興趣的方面，但在以往卻沒(méi)有辦法做到通過(guò)冷卻的方式來(lái)研究它們的特性，” Pauzauskie說(shuō)，他也是來(lái)自華盛頓州里奇蘭，美國(guó)能源部的太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家。“利用激光冷卻，有點(diǎn)像將電影中的生命的活動(dòng)過(guò)程進(jìn)行慢動(dòng)作展示，優(yōu)點(diǎn)是，你不需要冷卻整個(gè)細(xì)胞，如果冷卻整個(gè)細(xì)胞就會(huì)殺死它或改變它的行為。”
華盛頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)選用紅外光作為冷卻激光，實(shí)現(xiàn)在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，因?yàn)榭梢?jiàn)光會(huì)對(duì)細(xì)胞有破壞作用，能夠?qū)⑺鼈?ldquo;曬傷”。他們證實(shí)激光也能冷卻鹽水和細(xì)胞培養(yǎng)基(在遺傳和分子研究領(lǐng)域常用)。
為了實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)突破，華盛頓大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)使用了商業(yè)激光領(lǐng)域常見(jiàn)的一種材料，但本質(zhì)上卻與激光現(xiàn)象相反。他們用紅外激光照射一個(gè)懸浮在水中的微小晶體，激發(fā)出一種獨(dú)特的光線，這個(gè)光線的能量比光吸收的能量要稍微多一點(diǎn)。
這種高能光從晶體和包圍著它的水中帶走了熱量。首次激光冷卻過(guò)程是1995年美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在真空條件下實(shí)現(xiàn)的，近20年后在液體中，再次實(shí)現(xiàn)了這個(gè)過(guò)程。
通常情況下，激光晶體的生長(zhǎng)是一個(gè)昂貴的過(guò)程，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和美元，只能生產(chǎn)僅僅一克材料。華盛頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)明了一個(gè)低成本的水熱方法，可用于制造著名的激光晶體，以更加快捷、低成本和可擴(kuò)展的方式實(shí)現(xiàn)激光冷卻應(yīng)用。
華盛頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了一種儀器，使用激光阱(類似于微牽引光束)，將一個(gè)侵入液體中的納米晶體“困在”液體室里，并用激光照射它。為了確定液體是否冷卻，這個(gè)儀器能夠投射粒子的“影子”，通過(guò)這種方式研究人員能夠觀察它運(yùn)動(dòng)過(guò)程中每分每秒的變化。
當(dāng)周圍的液體變冷時(shí)，被困住的顆粒就會(huì)慢下來(lái)，從而讓研究團(tuán)隊(duì)清楚地觀察冷卻效果。他們還設(shè)計(jì)了一種晶體，當(dāng)冷卻時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)從藍(lán)綠到泛紅的顏色變化，就像一個(gè)內(nèi)置的彩色溫度計(jì)。
“這個(gè)項(xiàng)目的真正挑戰(zhàn)是建造一個(gè)儀器，以及設(shè)計(jì)一種方法，利用與困住晶體相同光線的特征，也能夠確定這些納米晶體的溫度，”論文的主要作者派登 羅德說(shuō)，他剛剛獲得威斯康辛大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)博士學(xué)位，目前在英特爾工作。
到目前為止，華盛頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)僅僅展示了單一納米晶體的冷卻效果，而激發(fā)多個(gè)晶體需要更多的激光能。激光冷卻過(guò)程目前比較耗能，Pauzauskie說(shuō)，下一步的研究包括尋找提高效率的方法。
有一天，冷卻技術(shù)本身也可以通過(guò)高功率激光，用來(lái)實(shí)現(xiàn)制造、電信或國(guó)防領(lǐng)域應(yīng)用，而目前高功率激光往往容易過(guò)熱以及將物體融化。
“因?yàn)槔眉す饫鋮s液體之前是不可能做到的，所有現(xiàn)在人們不會(huì)一下子就想到如何利用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)解決問(wèn)題，”他說(shuō)。“我們就感興趣的是，我們的研究對(duì)其他科學(xué)家或企業(yè)的想法產(chǎn)生何種影響，會(huì)不會(huì)影響他們的基礎(chǔ)研究或底線，讓他們不再墨守成規(guī)或固執(zhí)己見(jiàn)。”
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