211service.com
Inżynierowie zamieniają wiązkę laserową w strumień cieczy
Lasery to jeden z kultowych przełomów XX wieku w nauce. Wytwarzają spójne fotony w ciasnych wiązkach o określonej energii. Mogą przesyłać dane, wykrywać cząsteczki i przepalać metal. Wytwarzane przez nie fotony również mają znaczny pęd.
I to rodzi interesujące pytanie. Czy możliwe jest przeniesienie tego pędu w celu wygenerowania promieni materii, takich jak przepływ cieczy? Nie do teraz.
Jiming Bao z University of Houston w Teksasie i kilku kumpli twierdzą, że odkryli zupełnie nowy proces optofluidyczny, który umożliwia użycie wiązki laserowej do wytworzenia strumienia cieczy. Technika ta ma szerokie zastosowanie w mikroprzepływach, biochemii, mikrowytwarzaniu i wszelkich procesach zależnych od technologii lab-on-chip.
To, co odkryli Bao i spółka, to sposób na generowanie ściśle skupionych strumieni cieczy w płynie. To odkrycie jest niespodzianką.
Światło lasera zwykle nie wchodzi w interakcję z wodą, z wyjątkiem kontaktu z innym medium, takim jak powietrze. Fotony mogą napierać na taki interfejs, chociaż transfer pędu jest mały i na pewno zbyt słaby, aby napędzać przepływ płynu.
Jednak Bao i spółka odkryli, że mogą generować strumień wody w większej objętości wody, jeśli zawiera nanocząsteczki złota. Przeświecili pulsujący zielony laser przez szklaną ściankę pojemnika i po kilku minutach zaobserwowali strumień cieczy szybko płynący wzdłuż kierunku wiązki.
Przepływy wyglądają jak płynne analogi wiązek laserowych i poruszają się w tych samych kierunkach, co załamane wiązki, tak jakby były bezpośrednio napędzane fotonami wiązek laserowych, powiedzmy Bao i spółka. Zjawisko to nazywamy strumieniowaniem laserowym.
To coś zaskakującego, a kluczowe są nanocząsteczki. Jeśli woda jest czysta — bez dodatku nanocząstek — wiązka lasera przechodzi bez przeszkód, bez żadnego strumienia.
Bao i spółka muszą ciężko pracować, aby ustalić, co się dzieje. Okazuje się, że nanocząstki w znacznym stopniu pochłaniają zielone światło, które jest bliskie częstotliwości rezonansowej zawartych w nich elektronów.
Powoduje to, że cząstki nagrzewają się i schładzają z każdym impulsem światła, rozszerzając się i kurcząc w tym procesie. To generuje fale akustyczne w wodzie. Od dawna wiadomo, że tego rodzaju ultradźwięki poruszają ciecze w procesie zwanym strumieniowaniem akustycznym.
Ale ultradźwięki same w sobie nie gwarantują płynnego ruchu. Więc coś innego musi się dziać. Bao i spółka twierdzą, że ogrzewanie i chłodzenie nanocząstek w pobliżu ścianki pojemnika powoduje ich wiązanie ze szkłem. Z biegiem czasu nanocząsteczki inkrustują się wokół punktu, w którym laser wchodzi do cieczy, co tworzy rodzaj nanownęki na szkle.
Kluczem do tego zjawiska jest nanownęka. Dziwnym zbiegiem okoliczności wnęka ma odpowiedni rozmiar i kształt, aby skupić ultradźwięki generowane przez inkrustowane nanocząstki. Innymi słowy, wnęka staje się komorą rezonansową — głośnikiem — który generuje wiązkę ultradźwięków. Bao i spółka twierdzą, że strumień cieczy jest napędzany przez ten skoncentrowany, kierunkowy ultradźwięk.
To fascynujące odkrycie, które łączy nanofotonikę, mikrofluidykę, akustykę i materiałoznawstwo. I ma to znaczące implikacje. Zdolność do poruszania płynami w mikroskopijnej skali ma kluczowe znaczenie dla wszelkiego rodzaju eksperymentów typu „lab-on-a-chip”. Przydaje się również do nanofabrykacji, a nawet do napędu laserowego.
Bao i spółka z optymizmem patrzą w przyszłość. Strumieniowanie laserowe znajdzie zastosowanie w optycznie sterowanych lub aktywowanych urządzeniach, takich jak mikroprzepływy, napęd laserowy, chirurgia laserowa i czyszczenie, transport masy lub mieszanie, żeby wymienić tylko kilka.
Z niecierpliwością czekamy na sporządzenie wykresów jego postępów.
Nr ref.: arxiv.org/abs/1708.05852 : Strumieniowanie laserowe: zamienianie wiązki laserowej w strumień cieczy