论文介绍-----光驱动的微气泡发动机
时间： 2020-07-20 来源：
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，williamhill威廉希尔官网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。