211service.com
Ingeniører gjør en laserstråle til en strøm av væske
Lasere er et av de ikoniske gjennombruddene innen vitenskapen fra det 20. århundre. De produserer koherente fotoner i tette stråler med spesifikk energi. De kan overføre data, oppdage molekyler og brenne gjennom metall. Fotonene de produserer har også betydelig fart.
Og det reiser et interessant spørsmål. Er det mulig å overføre dette momentumet til å generere materiestråler som en væskestrøm? Ikke før nå.
Jiming Bao ved University of Houston i Texas og noen få venner sier de har oppdaget en helt ny optofluidikk-prosess som gjør det mulig å bruke en laserstråle til å lage en væskestrøm. Teknikken har utbredte anvendelser innen mikrofluidikk, biokjemi, mikrofabrikasjon og enhver prosess som avhenger av lab-on-chip-teknologi.
Det Bao og co har oppdaget er en måte å generere tett fokuserte væskestrømmer inne i en væske. Denne oppdagelsen er noe av en overraskelse.
Laserlys samhandler vanligvis ikke med vann, bortsett fra ved et grensesnitt med et annet medium, for eksempel luft. Fotoner kan presse mot et slikt grensesnitt, selv om momentumoverføringen er liten og absolutt for svak til å drive væskestrøm.
Imidlertid fant Bao og co at de kunne generere en vannstrøm inne i et større volum vann hvis den inneholdt gullnanopartikler. De lyste en pulserende grønn laser gjennom glassveggen på beholderen og observerte etter noen minutter en væskestrøm som strømmet raskt langs strålens retning.
Strømmene fremstår som væskeanaloger av laserstråler og beveger seg i samme retninger av de refrakterte strålene som om de er direkte drevet av fotoner av laserstråler, sier Bao og co. Vi kaller dette fenomenet laserstreaming.
Dette er noe av en overraskelse, og nanopartikler er nøkkelen. Hvis vannet er rent – uten tilsatte nanopartikler – passerer laserstrålen uhindret uten strømning i det hele tatt.
Bao og co må jobbe hardt for å finne ut hva som skjer. Det viser seg at nanopartikler betydelig absorberer grønt lys, som er nær resonansfrekvensen til elektronene de inneholder.
Dette fører til at partiklene varmes opp og kjøles ned med hver lyspuls, utvides og trekker seg sammen i prosessen. Det genererer akustiske bølger i vannet. Denne typen ultralyd har lenge vært kjent for å flytte væske i en prosess som kalles akustisk strømming.
Men ultralyd i seg selv garanterer ikke flytende bevegelse. Så noe annet må være på gang. Bao og co sier at oppvarming og avkjøling av nanopartikler nær beholderveggen får dem til å binde seg til glasset. Over tid blir nanopartiklene innkapslet rundt punktet der laseren kommer inn i væsken og dette skaper en slags nanokavitet på glasset.
Nanokavitet er nøkkelen til dette fenomenet. Ved en forunderlig tilfeldighet har hulrommet akkurat den rette størrelsen og formen for å fokusere ultralyden som genereres av de innkapslede nanopartikler. Med andre ord blir hulrommet et resonanskammer - en høyttaler - som genererer en ultralydstråle. Bao og co sier at væskestrømmen drives av denne fokuserte, retningsbestemte ultralyden.
Det er en fascinerende oppdagelse som forbinder nanofotonikk, mikrofluidikk, akustikk og materialvitenskap. Og det har betydelige implikasjoner. Evnen til å flytte væsker i mikroskopisk skala er avgjørende for alle typer lab-on-a-chip eksperimenter. Det er også nyttig for nanofabrikasjon og til og med for laserfremdrift.
Bao og co er optimistiske med tanke på fremtiden. Laserstreaming vil finne applikasjoner i optisk kontrollerte eller aktiverte enheter som mikrofluidikk, laserfremdrift, laserkirurgi og rengjøring, massetransport eller blanding, for bare å nevne noen, sier de.
Vi ser frem til å kartlegge fremgangen.
Ref: arxiv.org/abs/1708.05852 : Laserstreaming: Gjør om en laserstråle til en flyt av væske