科学家实现用激光驱动水流

中外科学家携手解决了一项困扰科学界多年的难题——用激光驱动宏观物质运动。科学家在现实条件下，首次实现了用脉冲激光在纯水中驱动水流持续高速运动。

这一研究成果近日发表在《Science》（科学）杂志的子刊《Science　Advances》（科学进展）上。

自1960年激光发明以来，其被广泛应用于光纤通信中。但如何将光子的能量或动量转化为宏观作用力驱动物体运动，一直困扰着科学家们。因光子直接能量或动量传输作用力极为微弱，所以难以提供宏观推动力。而光热效应或光化学反应产生的间接推动力，对流体属性有极高的要求，特别是水这样的透明液体，对激发光吸收极少。

由电子科技大学、河南工程学院、美国休斯敦大学等中外高校组成的联合科研团队在普通的金纳米颗粒非线性光学性质实验中，意外发现了一种奇特的光声流体效应。在玻璃容器中，经过一段时间纳秒激光的照射，金纳米颗粒水分散液会形成高速流动的流场。该流场方向与激光传播方向一致，长度可贯穿整个10毫米玻璃器皿，在120毫瓦激光照射下，流速可达4厘米/秒，流场可持续近一小时之久。

这篇论文的主要作者，电子科技大学基础与前沿研究院执行院长王志明解释说，光声流体效应现象，其实是光声效应和声波驱动效应的结合，其“奥秘”在于“金纳米颗粒”。进一步研究发现，玻璃器皿内壁激光聚焦处产生了形如火山口并附着有大量金纳米颗粒的微腔。金纳米颗粒在脉冲激光的照射下会经历快速的、周期性的体积膨胀和收缩，产生超声波。而在金纳米颗粒和腔体的共同作用下，定向的高频超声波通过声波驱动效应，驱动分散液产生高速流动。

“金纳米颗粒附着的微腔，是连接光声效应和声波驱动效应的关键。一旦微腔形成，将金纳米颗粒分散液替换为纯水或其他溶液，激光亦可驱动其他液体流动。”王志明说。

这一研究，为微流体芯片和激光远程驱动等实现提供了可能。与传统利用机械装置产生超声波来推动液体流动的方式不同，激光驱动流体技术可实现微米级别到厘米级别的流体控制，在微流体系统乃至可穿戴便携式医疗设备中得到广泛应用。据悉，研究团队计划下一步将对微腔形成过程展开深入研究。