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厉害了!电子科大专家首次发现激光驱动流体新技术

2017年10月12日 下午12:48
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厉害了!电子科大专家首次发现激光驱动流体新技术

四川在线消息(陈孟勤 记者 江芸涵)你能想象未来医生们利用激光驱动药剂进行洁牙吗?你能想象未来利用激光进行辅助治疗吗?而激光驱动流体技术的首次实现,使得这些有望在未来变成现实。

10月12日中午,记者在电子科技大学激光驱动流体技术学术成果媒体交流会上获悉,该校基础与前沿研究院王志明教授团队与来自河南工程学院、美国休斯顿大学、美国哈佛大学、美国普渡大学等国内外高校的合作者提出了一种全新的光流体学机理,并成功利用脉冲激光在纯水中实现持续高速的水流喷射,激光驱动流体首次实现。

该技术的实现能为老百姓带来什么呢?就拿我们日常生活中常见的洁牙来说,目前常见的超声波洁牙是利用超声波驱动液体技术实现的,但这一过程的实现主要运用的是精密的机械装置,这就使得相关装置无法有效小型化,成本也很高。

一直以来,如何高效地利用脉冲激光直接驱动液体流动,都是困扰国内外科学界一大难题。因为目前广泛使用的超声波驱动液体技术,由于装置原因也很难应用于微流体芯片实验室、微制造、生物芯片、医药和生命科学等研究领域。

而激光驱动流体的实现使得这些问题有望得以解决。该方法仅需使用简单且廉价的装置,即可实现激光对流体的高效驱动,成功地克服了激光驱动流体运动这一科学技术难题。

该工作还于9月27日被选作首页头条文章在Science子刊《Science Advances》官网报道,文章标题为“Laser streaming: Turning a laser beam into a flow of liquid(激光流体:把激光束转化成液体流)”,引起国内外科学界广泛关注。

该技术就是利用激光及相关装置产生超声波,超声波再对液体进行驱动。激光聚焦在装有金纳米颗粒水分散液的玻璃容器内侧,玻璃容器内壁激光聚焦处产生了形如火山口并附着有大量金纳米颗粒的微腔。该微腔在脉冲激光照射下可产生超声波并驱动液体流动。

研究团队通过对以上实验现象的研究,提出了一种全新的光流体机理,该机理包含了两个基本的物理过程——光声效应和声波驱动流体效应。这里,金纳米颗粒附着的微腔是连接光声效应和声波驱动效应的关键。金纳米颗粒在脉冲激光的照射下会经历快速的、周期性的体积膨胀和收缩,从而产生超声波(光声效应,图2 A)。而在金纳米颗粒和腔体的共同作用下,定向的高频超声波通过声波驱动效应,驱动分散液产生高速流动(图2 B)。更值得注意的是,一旦微腔形成,将金纳米颗粒分散液替换为纯水或其他溶液,激光亦可驱动其他液体流动。

“光声效应、声波驱动流体效应前人都有研究,现在我们将这两种技术结合在一起,激光通过金纳米颗粒变成声波,声波再驱动水流控制流体运动,我们的工作从学术上来说就是发现了两者之间的连接点。”王志明教授介绍说。

超声驱动液体流动其实距离我们生活并不遥远,从工业设备的循环冷却,到超声洗牙和牙龈疾病的根管治疗,再到实验室模拟生物化学反应的微流体芯片,都需要定向驱动的高速水流。和传统的利用机械装置产生超声波来推动液体流动的方式不同,激光驱动流体提供了一种全新的、简单廉价的驱动流体的方式。该技术可以实现微米级别到厘米级别的流体控制,在微流体系统乃至可穿戴便携式医疗设备中得到广泛应用。

“我们在这个实验中就是用了非常简单的材料,而且以非常低的成本,实现了更快速地驱动,这个是一个突破。”文章第一作者王志明教授团队博士后王亚楠表示。“我们下一步的工作一方面继续探索微腔的形成过程,挖掘更深的机理,做更深入的基础研究。另一方面还将在具体的领域进行应用研究。”

虽然对于微腔形成过程还需更进一步的研究,但激光驱动流体这一突破性的实验发现结合了纳米光子学、声学、微流体学和材料科学。未来有望实现在光控微流体、激光手术、激光清洗、医学等领域的广泛的应用。

来源: sichuan.scol.com.cn

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