电子科大王志明团队提出新型光致超声推动宏观流体机理

现代生物医学、物理、化学等领域的基础研究和产业应用需要对流体或微纳颗粒进行操控。通过机械泵对流体进行控制的方式具有难以微型化、微细加工工艺难度高、对流体难以精细灵活控制等难题。利用激光对流体进行操控具有非接触性、控制精确灵活的特点，因而受到广泛的关注。

但是，传统的光子动量传递（如光镊技术）和光热效应只能实现对微纳量级颗粒或流体的操控。针对该问题，电子科技大学王志明教授团队提出了一种新型的光致超声推动宏观流体的机理，并制备出激光驱动宏观流体达到4 cm/s，可精确操控流体运动的微流控泵。

该项目为激光控制流体提供了新的方法，开发了一种全新的微流控泵，不仅推动了流控技术的基础研究，更推动了光流控技术在生物医学、物理化学领域的应用。

微泵是微流控器件的核心，在基础研究和前沿技术上有广泛的应用。根据工作原理，微泵主要可以分为两大类：机械泵和非机械泵。

随着微机电系统的出现，由阀和扇叶等活动组件构成的微机械泵替代了宏观尺寸的机械泵。虽然非机械微泵没有活动组件，但仍然需要制备微细结构和电学接触来产生热、电、磁或超声激励来驱动流体。在过去的几十年里，随着基础研究的深入发展，人们对泵的尺寸和精确控制提出了更高的要求，然而其设计和工作原理仍然几乎没有变化，传统的微机电泵和超声换能器等器件难以微型化的局限越来越明显。

目前，利用光控制和推动液体流动的方法主要有光子动量传输(如光压驱动、光镊)和光热效应(如马兰戈尼效应)等。但是光子动量传输只能实现数微米每秒的流体速度，光热效应一般也只能实现数十微米每秒的流速，运动距离也只有数微米到数毫米范围，无法实现宏观高速的流体操控。

针对这个难题，王志明教授团队用全新的设计和工作原理制备出了一种新型的微泵。利用光致超声，超声推动流体的原理，通过离子注入技术在石英片中注入浓度为1016 cm-2的金粒子。当脉冲激光入射金粒子注入的石英片，金纳米颗粒的振荡产生持续的超声，推动流体快速流动（图1）。由于该器件没有活动组件或电极，因此不需要微纳制备，极大地简化了工艺流程。

图1.金离子注入石英片及该石英片在激光作用下产生的束流

此外，该微流控泵具有极低的功率阈值。仅仅10 mW的脉冲激光即可推动流体达到1.2 cm/s的流速。随着激光功率的增加，流体由发散状变得更加的准直，流速也得到极大的提升（图2）。

图2.不同功率激光作用下微流控泵驱动流体