Inženieri pārvērš lāzera staru šķidruma straumē

Lāzeri ir viens no ikoniskiem 20. gadsimta zinātnes sasniegumiem. Tie rada saskaņotus fotonus šauros īpašas enerģijas staros. Tie var pārsūtīt datus, atklāt molekulas un sadedzināt caur metālu. To ražotajiem fotoniem ir arī ievērojams impulss.

Un tas rada interesantu jautājumu. Vai ir iespējams pārnest šo impulsu, lai radītu matērijas starus, piemēram, šķidruma plūsmu? Līdz šim nē.

Džimings Bao no Hjūstonas Universitātes Teksasā un daži draugi saka, ka ir atklājuši pilnīgi jaunu optofluidikas procesu, kas ļauj izmantot lāzera staru, lai radītu šķidruma plūsmu. Metodei ir plaši pielietojumi mikrofluidikā, bioķīmijā, mikroražošanā un visos procesos, kas ir atkarīgi no laboratorijas mikroshēmas tehnoloģijas.

Tas, ko Bao un co ir atklājuši, ir veids, kā šķidrumā radīt cieši fokusētas šķidruma plūsmas. Šis atklājums ir pārsteigums.

Lāzera gaisma parasti nesadarbojas ar ūdeni, izņemot saskarnē ar citu vidi, piemēram, gaisu. Fotoni var spiesties pret šādu saskarni, lai gan impulsa pārnešana ir maza un noteikti pārāk vāja, lai vadītu šķidruma plūsmu.

Tomēr Bao un kolēģi atklāja, ka viņi varētu radīt ūdens straumi lielākā ūdens daudzumā, ja tajā būtu zelta nanodaļiņas. Viņi cauri konteinera stikla sienai izspīdēja impulsa zaļu lāzeru un pēc dažām minūtēm novēroja šķidruma strāvu, kas strauji plūst gar stara virzienu.

Plūsmas parādās kā šķidri lāzera staru analogi un pārvietojas tajos pašos lauzto staru virzienos, it kā tos tieši vadītu lāzera staru fotoni, saka Bao un citi. Mēs šo parādību saucam par lāzera straumēšanu.

Tas ir pārsteigums, un nanodaļiņas ir galvenais. Ja ūdens ir tīrs — bez pievienotām nanodaļiņām — lāzera stars netraucēti iziet cauri bez straumēšanas.

Bao un citiem ir smagi jāstrādā, lai noteiktu, kas notiek. Izrādās, ka nanodaļiņas ievērojami absorbē zaļo gaismu, kas ir tuvu tajās esošo elektronu rezonanses frekvencei.

Tas liek daļiņām uzkarst un atdzist ar katru gaismas impulsu, procesā izplešas un saraujas. Tas rada akustiskus viļņus ūdenī. Jau sen ir zināms, ka šāda veida ultraskaņa pārvieto šķidrumu procesā, ko sauc par akustisko straumēšanu.

Bet ultraskaņa pati par sevi negarantē šķidruma kustību. Tātad noteikti notiek kaut kas cits. Bao un kolēģi saka, ka nanodaļiņu karsēšana un dzesēšana pie konteinera sienas liek tām savienoties ar stiklu. Laika gaitā nanodaļiņas kļūst inkrustētas ap vietu, kur lāzers nonāk šķidrumā, un tas rada sava veida nanodobumu uz stikla.

Nanodobums ir šīs parādības atslēga. Brīnišķīgas sakritības dēļ dobums ir tieši tāda izmēra un formas, lai fokusētu ultraskaņu, ko rada inkrustētās nanodaļiņas. Citiem vārdiem sakot, dobums kļūst par rezonanses kameru - skaļruni, kas ģenerē ultraskaņas staru. Bao un kolēģi saka, ka šķidruma plūsmu virza šī fokusētā, virziena ultraskaņa.

Tas ir aizraujošs atklājums, kas saista nanofotoniku, mikrofluidiku, akustiku un materiālu zinātni. Un tam ir būtiskas sekas. Spēja pārvietot šķidrumus mikroskopiskā mērogā ir ļoti svarīga visu veidu laboratorijas mikroshēmas eksperimentos. Tas ir noderīgs arī nanoražošanai un pat lāzera piedziņai.

Bao un co ir optimistiski noskaņoti nākotnē. Viņi saka, ka lāzera straumēšana tiks izmantota optiski kontrolētās vai aktivētās ierīcēs, piemēram, mikrofluidikā, lāzera piedziņā, lāzerķirurģijā un tīrīšanai, masu transportēšanai vai sajaukšanai.

Ar nepacietību gaidīsim tā progresa diagrammu.

Atsauce: arxiv.org/abs/1708.05852 : Lāzera straumēšana: lāzera stara pārvēršana šķidruma plūsmā

paslēpties