Ingeniører forvandler en laserstråle til en strøm af væske

Lasere er et af de ikoniske gennembrud inden for det 20. århundredes videnskab. De producerer sammenhængende fotoner i tætte stråler af specifik energi. De kan transmittere data, detektere molekyler og brænde igennem metal. De fotoner, de producerer, har også et betydeligt momentum.

Og det rejser et interessant spørgsmål. Er det muligt at overføre dette momentum til at generere stofstråler såsom en væskestrøm? Ikke før nu.

Jiming Bao ved University of Houston i Texas og et par venner siger, at de har opdaget en helt ny optofluidisk proces, der gør det muligt at bruge en laserstråle til at skabe en væskestrøm. Teknikken har udbredte anvendelser inden for mikrofluidik, biokemi, mikrofremstilling og enhver proces, der afhænger af lab-on-chip teknologi.

Hvad Bao og co har opdaget er en måde at generere tæt fokuserede væskestrømme inde i en væske. Denne opdagelse er noget af en overraskelse.

Laserlys interagerer normalt ikke med vand, undtagen ved en grænseflade med et andet medium, såsom luft. Fotoner kan skubbe mod en sådan grænseflade, selvom momentumoverførslen er lille og bestemt for svag til at drive væskestrøm.

Men Bao og co fandt ud af, at de kunne generere en strøm af vand inde i en større mængde vand, hvis den indeholdt guld-nanopartikler. De skinnede en pulserende grøn laser gennem beholderens glasvæg og observerede efter et par minutter en væskestrøm, der strømmede hurtigt langs strålens retning.

Strømmene fremstår som væskeanaloger af laserstråler og bevæger sig i de samme retninger af de brudte stråler, som hvis de er direkte drevet af fotoner fra laserstråler, siger Bao og co. Vi kalder dette fænomen laserstreaming.

Dette er noget af en overraskelse, og nanopartiklerne er nøglen. Hvis vandet er rent - uden tilføjede nanopartikler - passerer laserstrålen uhindret igennem uden nogen som helst strømning.

Bao og co skal arbejde hårdt for at afgøre, hvad der foregår. Det viser sig, at nanopartiklerne i væsentlig grad absorberer grønt lys, som er tæt på resonansfrekvensen af ​​de elektroner, de indeholder.

Dette får partiklerne til at varme op og afkøle med hver lysimpuls, udvide sig og trække sig sammen i processen. Det genererer akustiske bølger i vandet. Denne form for ultralyd har længe været kendt for at flytte væske i en proces kaldet akustisk streaming.

Men ultralyd i sig selv garanterer ikke flydende bevægelse. Så der må ske noget andet. Bao og co siger, at opvarmning og afkøling af nanopartikler nær beholdervæggen får dem til at binde sig til glasset. Med tiden bliver nanopartiklerne indkapslet omkring det punkt, hvor laseren kommer ind i væsken, og dette skaber en slags nanokavitet på glasset.

Nanokavitet er nøglen til dette fænomen. Ved et vidunderligt tilfælde har hulrummet den helt rigtige størrelse og form til at fokusere den ultralyd, der genereres af de indkapslede nanopartikler. Med andre ord bliver hulrummet til et resonanskammer - en højttaler - der genererer en ultralydsstråle. Bao og co siger, at væskestrømmen er drevet af denne fokuserede, retningsbestemte ultralyd.

Det er en fascinerende opdagelse, der forbinder nanofotonik, mikrofluidik, akustik og materialevidenskab. Og det har betydelige konsekvenser. Evnen til at flytte væsker i mikroskopisk skala er afgørende for alle former for lab-on-a-chip eksperimenter. Det er også nyttigt til nanofabrikation og endda til laserfremdrift.

Bao og co er optimistiske med hensyn til fremtiden. Laserstreaming vil finde applikationer i optisk styrede eller aktiverede enheder såsom mikrofluidik, laserfremdrift, laserkirurgi og rengøring, massetransport eller blanding, for blot at nævne nogle få, siger de.

Vi ser frem til at kortlægge dens fremskridt.

Ref: arxiv.org/abs/1708.05852 : Laserstreaming: Forvandling af en laserstråle til en væskestrøm

skjule