航空航天系邓道盛/胡曼课题组利用激光实现水下气泡的3D精准操控

实现液滴或气泡的精准灵活操控对于微流控芯片、生物医药传递、软机器人等领域的应用至关重要。目前操控或驱动手段主要有两种方法，一种是对界面材料改性或引入微结构设计的被动式方法，但基底表面性质需要对材料进行预处理，而且气泡始终限制在平面或弯曲的二维空间内运动，另一种是借助外加物理场的主动调控方法，具有更大的操控自由度，且气泡或液滴呈现出的运动特性与所加外力场息息相关。但目前对于实现气泡或液滴在三维空间尺度上的高效灵活非接触式操控仍然具有挑战。

近日，复旦大学航空航天系邓道盛/胡曼课题组开展激光操控水下气泡弹跳运动的相关研究，巧妙利用纯水介质对980 nm近红外激光的体吸收光热响应特性，结合固/液界面对流传热，构建了独特的逆温层区域，观察到了气泡在液体内部作周期性的定点弹跳运动以及跟随弹跳运动的三维运动模式。相关成果以“Near-infrared-laser-navigated dancing bubble within water via a thermally conductive interface”为题发表于Nature Communications。

图1. 水下气泡弹跳动力学

不同于已广泛研究的激光照射到自由液面，当在液面上简单放置高导热率的固体玻片(蓝宝石)，该玻片固壁面的快速降温效果使得沿纵向的温度分布呈现先增大后减小的趋势，进而形成显著的逆温层(图2a,b)。在物理机制上，逆温层的形成是驱动气泡周期性弹跳的关键所在。

图2. 气泡弹跳：逆温层形成、受力分析与模拟验证

逆温层区域内气泡受到向下的热马兰戈尼力占主导，能够克服浮力，使气泡远离壁面向下运动(图2c);逆温层区域外气泡同时受到向上的热马兰戈尼力和浮力作用，回到固壁面附近(图2d)。在理论上，通过量纲分析，得到气泡弹跳运动的上限半径值Rup，下限半径值Rlow(图2f)以及弹跳频率f(图2g)，理论估算结果与实验结果吻合良好。在数值模拟，可进一步验证逆温层对弹跳运动的决定性作用(图2h)。

进一步在气泡纵向弹跳基础上，通过横向移动激光光斑位置，扩展了气泡操控的维度，使气泡在水中“翩翩起舞”，如同水中芭蕾的曼妙舞姿。仅仅改变激光横向移动的速度，可操控气泡依次经历纵向弹跳、跟随弹跳以及跟随移动等多种三维运动模式(图3a-c)。通过精确操控此三维弹跳气泡与其他微气泡、微液滴、微颗粒之间的相互作用(图3d-f)，充分展示了弹跳气泡在表面清洁、水净化处理、药物传递、化学微反应、液滴构型以及材料组装等领域的潜在应用。

图3. 气泡跟随弹跳：相图与应用

该研究提出了一种非接触高效三维操控气泡的体系，揭示了纯水介质中激光驱动气泡弹跳运动的内在机理，为开发设计新型的光流控器件做出了有益探索。复旦大学航空航天系青年副研究员胡曼和博士生王峰为该论文共同第一作者，胡曼和邓道盛研究员是论文的共同通讯作者。论文的合作者包括上海大学庄启亮教授;复旦大学航空航天系博士后霍鹏和顾希，博士生陈力和李雨琪。

【免责申明】本专题图片均来源于学校官网或互联网，若有侵权请联系400-0815-589删除。