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论文介绍-----光驱动的微气泡发动机

我们乘坐的汽车由发动机驱动,发动机与人类生活密切相关,像心脏驱使血液循环一样,微发动机作为动力源头大有用武之地。微发动机在光驱人工智能机器人、将药物输送到人体病变部位、强化流体混合与反应、光流体器件(泵、阀等)、调控太阳能系统的气泡动力学等领域有广泛应用前景。万物生长靠太阳,光能具有非接触、无污染等优点,对周围环境没有电磁干扰,然而,光驱发动机研制并非易事。但光照射表面时,“光颗粒”动量变化产生的力称为光压,光压太小,使其应用受到很大限制。有科学家进行了光压驱动液-液界面的实验,表明光压只能驱动表面张力小于10-7N/m的表面变形,该表面张力比水小9个量级。

为解决传统光压太小的问题,我校热科学与工程团队徐进良教授从理论上提出间接光压新概念。下图右侧为汽车发动机中活塞来回往复工作,左侧为光驱气泡发动机的工作状态。光照射纳米流体时,由于纳米颗粒等离激元共振效应强化了光能吸收,产生气泡,当气泡尺寸大于光波波长时,光线在气泡表面传播遵循几何光学原理,产生折射和反射现象,气泡被分成向阳面和背阳面。向阳面液体蒸发比背阳面快,气泡膨胀引起气液介质间的动量交换,气泡表面受到指向中心的力。在与光线传播垂直的方向,蒸发动量力相互抵消,合力为零;沿光线传播方向,气泡不均匀膨胀产生了净合力。产生动量交换的介质是气液流体,不是“光颗粒”,因而光致气泡生长产生的力称为间接光压。传统光压与光强成线性关系,而间接光压与光强的二次方成正比,表明间接光压对光强变化具有很好敏感性,为其应用提供了便利。

该成果以题为A New Mechanism of Light-Induced Bubble Growth to Propel Microbubble Piston Engine发表在国际著名杂志Small(https://doi.org/10.1002/smll.202001548)上,引发国内外学界热烈反响。论文给出了间接光压的理论表达式,提出了3个新的无量纲准则数,以表征间接光压相对于其它力的重要性。发现气泡大小处于一定范围时,间接光压比气泡受到的其它力都大。脉冲激光垂直照射纳米流体时,观测到气泡永远停留在水面下,从不溢出水面,打破了开式系统中气泡溢出水面的常规认识,促使光致气泡发动机的诞生。在脉冲激光ON阶段,间接光压为气泡提供了比重力加速度大3到4个量级的加速度,使气泡快速冲向水面深处,在激光OFF阶段,由于间接光压的瞬时撤销,气泡上浮。脉冲激光维持了气泡的往复运动,类似于活塞在气缸中的往复运动,光致气泡发动机为光流体应用开辟了新途径。