“也許有一天，我們真的能像神話人物那樣‘劈水為路，控水為劍’，這種非接觸式的光學操作，也有助于跨學科研究和拓展廣泛應用。”對于新成果，電子科技大學教授王志明充滿暢想。
本次成果可從“水中月、鏡中花”說起，每逢農歷十五月圓之夜，水面就能看見一輪和天上一模一樣的圓月，這便是大家熟悉的物理反射原理，同時也說明月亮光沒有給水面帶來任何影響。
（來源：Materials Today）
對于科學家來說，他要思考的是光照射到物體時，是否可以讓物體變形？也就是光是否可以驅動液體？答案是肯定的。在王志明團隊的最新研究中，他們真的讓光變得可以驅動液體。
（來源：Materials Today）
首次在實驗上，觀察到激光和太陽光導致的液體宏觀形變和破裂
王志明介紹稱，本次論文一經發表就受到眾多學者的關注，其研究意義在于突破了光控流體形變在微納量級的局限，首次在實驗上觀察到了激光和太陽光導致液體宏觀形變并破裂的現象。
在以往與光控液體形變相關的研究中，光熱效應導致的液體形變往往發生在微納米量級的液體薄膜上，而且形變非常微弱，需要借助顯微手段才能觀察到。
（來源：Materials Today）
在該研究中，激光照射可實現毫米量級厚度的磁流體下凹形變甚至破裂，這種光致毫米量級厚度的液體發生肉眼可見的宏觀形變、甚至“切破”液體的現象，此前從未被觀察到。
為了探索該光致液體宏觀形變的機理，王志明團隊通過 COMSOL（Comsol Multiphysics，多物理場）仿真，首次系統性地研究了影響光致液體下凹形變的多個物理參數，并優化了液體最大形變的條件。
（來源：Materials Today）
他們發現，液體的厚度、表面張力的溫度系數、熱導、比熱容、吸光性和粘度等物理參數，都會對光致液體形變產生重要影響，尤其是吸光系數和液體的表面張力溫度系數。
（來源：Materials Today）
仿真結果顯示，其使用煤油、泵油和吸光染料制備出了光致宏觀下凹形變的新型液體，這些液體可在普通激光筆、太陽光或者激光投影儀作用下產生復雜的圖形。
為了凸顯這種光控液體宏觀形變的應用前景，王志明團隊還展示了激光搬運液體：當激光光斑在毫米直徑的細管中垂直抬升液體時，激光可以操控液體表面的不同液滴，甚至可以遠程操控液體表面液滴化學反應的應用。
可以說，該研究突破了光控液體形變的微觀局限，實現了液體毫米級的下凹甚至切割雕刻的形變，也系統深入地揭示了光控液體形變的機理和影響參數。
（來源：Materials Today）
研究中，他和團隊還制備了一系列新型光熱毛細作用的流體，并展示了相關應用實例，促進了光流控領域的基礎研究和應用開發的發展。
該論文以電子科技大學第一單位發表在國際頂級期刊Materials Today上，并被期刊主編選為 Highlighted paper 作為亮點工作報道，論文題為《光驅動液體塑模、繪畫和運動》（Molding, patterning and driving liquids with light）[1]。
圖 | 光致液體圖形化形變和驅動液體（來源：Materials Today）
圖 | 研究成果被 Materials Today 作為 Highlighted paper 報道（來源：Materials Today）
光控流體研究最早可追溯到五年前
王志明表示，其團隊在光控流體領域具有較長的研究歷程，最早要追溯到 2016 年，次年利用光致超聲的原理首次實現了激光對宏觀流體的高速驅動，解決了光流控領域長期以來無法實現激光驅動宏觀流體的難題，相關成果發表在Science Advances（Sci.Adv.3（9）2017）上，被期刊網站首頁報道并被Nature Photonics（Nature Photon.11，684（2017））作為研究亮點報道。
圖 |Science Advances官網首頁報道光致超聲驅動宏觀流體運動（來源：Science Advances）
本次研究亦是基于光流控領域相關研究的探索和延伸，期間經歷現象發現、機理探索、仿真計算、實驗表征等多個階段。
利用光切割或雕刻流體的項目，源于王志明團隊在光流控研究中的一次偶然發現，當激光照射較薄的磁流體時，磁流體被打出一個凹坑，甚至液體破裂到容器底部。
針對這一新奇現象，他和團隊展開了活躍猜想和討論，結合相關文獻大家普遍猜想是激光的光熱效應，導致被激光照射液體的表面張力局部下降，周圍未被照射的液體具有較高的表面張力，并拉動液體向四周流動形成了液體的下凹，即馬蘭戈尼效應。
但是，對于為何激光能在磁流體上產生如此巨大的形變、甚至切割液體，王志明團隊一開始并不能完全理解。
（來源：Materials Today）
為了充分揭示磁流體在激光照射下宏觀形變的機理，團隊中來自中美多所大學不同領域的專家教授展開廣泛合作，利用 COMSOL 軟件進行了深入系統的仿真計算和實驗驗證。
針對液體厚度、表面張力溫度系數、熱導、比熱容、吸光性和粘度等物理參數對光致液體形變的影響，他們做了仿真系統計算。
基于仿真結果，王志明和團隊進行了廣泛實驗嘗試和驗證，最后發現煤油或泵油摻入吸光染料制備的液體，也具有磁流體類似的效果，進而可被激光、激光圖形投影儀甚至太陽光切割。
為了展示光控磁流體宏觀形變的優異特性，他們又設計了激光手寫、雕刻液體、激光搬運、抬升和驅動液滴定向運動的應用。
有望用于遠程精確驅動的微流控芯片
研究中，王志明團隊也展示了一些基本應用示例，比如借助激光和日光可以在液體表面雕刻圖形，還可讓激光搬運液體，讓激光驅動毛細管中的液體，讓激光驅動液體表面液滴、甚至驅動不同液滴發生化學反應的應用。
（來源：Materials Today）
可以肯定的是在光流控領域，光致液體宏觀形變將產生廣泛應用。目前，王志明團隊猜想激光雕刻液體薄膜產生的圖形，可讓液體薄膜作為一種反復應用、并直接書寫的掩膜版光刻應用。
而激光在毛細管或液面驅動液體的運動，可作為一種光驅動液體的泵浦技術，從而用于遠程精確驅動的微流控芯片。另外，液體表面在光斑作用下的下凹形變，可用作制備微透鏡的動態可調模具。
王志明表示，作為光學和微流控結合的新興交叉研究領域，光流控涉及背景知識廣、研究難度大，因此多所大學的不同領域專家都來參與，大家一起在物理原理分析解釋、數學分析、理論建模仿真等方面攻堅克難，最終才完成該項目。
圖 | 王志明（來源：王志明）
圍繞這項成果，他和團隊還做了很多其他工作，在研究激光導致磁流體表面發生下凹形變的過程中他們發現，當液體厚度不斷增加，下凹形變將逐漸減小，當液體厚度超過3毫米之后，液體下凹形變逐漸消失。
如果繼續增加液體厚度，激光照射液面將導致液體發生上凸形變。上凸形變高度受到光斑尺寸、激光功率、液體厚度等因素的影響。
這種液體在光照射下出現的反重力的上凸形變是自馬蘭戈尼效應十九世紀中葉發現以來首次觀測到的顛覆現象，打破了馬蘭戈尼效應導致液體下凹形變的固有認知。
作為該項目的延伸拓展工作，相關成果已以封面文章發表于Materials Today Physics（21（2021）100558）上。
（來源：Materials Today ）
將進一步揭示光致宏觀形變的物理原理
王志明認為，除了開發后續的相關應用，更應該著重對流體的相關物理參數進行研究，進一步揭示光致宏觀形變的物理原理，并制備出更多種類、更優性能的光流控材料。
基于光致液體形變、光雕刻流體、光驅動液體運動等優異性能，他和團隊也將繼續開發更多更貼近工業化的應用和產品，促進基礎科學研究產業轉化。
在國際合作與交流上，他也將繼續推動科研人員開展跨學科、跨學校、跨國別的合作研究，鼓勵團隊中的青年教師和學生走出去，同時也邀請更多國際學者到中國訪問研究。
只有打破國際交流阻礙，打破知識領域桎梏，勇于踏足艱難的未知領域才能探索出新的知識，推動人類文明的進步。
-End-
參考：
1、Lin F, Quraishy A N, Li R, et al. Molding, patterning and driving liquids with light[J].Materials Today, 2021, 51: 48-55.
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