Ingenieurs veranderen een laserstraal in een stroom vloeistof

Lasers zijn een van de iconische doorbraken van de 20e-eeuwse wetenschap. Ze produceren coherente fotonen in strakke bundels van specifieke energie. Ze kunnen gegevens verzenden, moleculen detecteren en door metaal branden. De fotonen die ze produceren, hebben ook een aanzienlijk momentum.

En dat roept een interessante vraag op. Is het mogelijk om dit momentum over te dragen om materiestralen te genereren, zoals een vloeistofstroom? Tot nu toe niet.

Jiming Bao van de Universiteit van Houston in Texas en een paar vrienden zeggen dat ze een geheel nieuw optofluïdisch proces hebben ontdekt dat het mogelijk maakt om een ​​laserstraal te gebruiken om een ​​stroom vloeistof te creëren. De techniek heeft wijdverbreide toepassingen in microfluïdica, biochemie, microfabricage en elk proces dat afhankelijk is van lab-on-chip-technologie.

Wat Bao en co hebben ontdekt, is een manier om strak gefocuste vloeistofstromen in een vloeistof te genereren. Deze ontdekking is een verrassing.

Laserlicht heeft gewoonlijk geen interactie met water, behalve op een grensvlak met een ander medium, zoals lucht. Fotonen kunnen tegen zo'n interface duwen, hoewel de impulsoverdracht klein is en zeker te zwak om de vloeistofstroom te stimuleren.

Bao en co ontdekten echter dat ze een stroom water in een groter volume water konden genereren als het gouden nanodeeltjes bevatte. Ze schenen een gepulseerde groene laser door de glazen wand van de container en zagen na een paar minuten een vloeistofstroom snel in de richting van de straal stromen.

De stromen verschijnen als vloeibare analogen van laserstralen en bewegen in dezelfde richtingen van de gebroken stralen alsof ze rechtstreeks worden aangedreven door fotonen van laserstralen, zeggen Bao en co. Dit fenomeen noemen we laserstreaming.

Dit is enigszins een verrassing, en de nanodeeltjes zijn de sleutel. Als het water zuiver is - zonder toegevoegde nanodeeltjes - gaat de laserstraal ongehinderd door zonder enige stroming.

Bao en co moeten hard werken om te bepalen wat er aan de hand is. Het blijkt dat de nanodeeltjes groen licht aanzienlijk absorberen, wat dicht in de buurt komt van de resonantiefrequentie van de elektronen die ze bevatten.

Dit zorgt ervoor dat de deeltjes bij elke lichtpuls opwarmen en afkoelen, terwijl ze uitzetten en samentrekken. Dat genereert akoestische golven in het water. Van dit soort ultrageluid is al lang bekend dat het vloeistof verplaatst in een proces dat akoestische streaming wordt genoemd.

Maar echografie op zichzelf is geen garantie voor vloeibare beweging. Er moet dus iets anders aan de hand zijn. Bao en co zeggen dat de verwarming en afkoeling van nanodeeltjes in de buurt van de containerwand ervoor zorgt dat ze zich hechten aan het glas. Na verloop van tijd worden de nanodeeltjes vastgezet rond het punt waar de laser de vloeistof binnengaat en ontstaat er een soort nanoholte op het glas.

De nanocaviteit is de sleutel tot dit fenomeen. Door wonderbaarlijk toeval heeft de holte precies de juiste grootte en vorm om het ultrageluid dat wordt gegenereerd door de ingelegde nanodeeltjes te concentreren. Met andere woorden, de holte wordt een resonantiekamer - een luidspreker - die een ultrasone straal genereert. Bao en co zeggen dat de vloeistofstroom wordt aangedreven door deze gerichte, directionele echografie.

Dat is een fascinerende ontdekking die nanofotonica, microfluïdica, akoestiek en materiaalkunde met elkaar verbindt. En het heeft belangrijke implicaties. Het vermogen om vloeistoffen op microscopische schaal te verplaatsen is cruciaal voor allerlei lab-on-a-chip-experimenten. Het is ook nuttig voor nanofabricage en zelfs voor laseraandrijving.

Bao en co zijn optimistisch over de toekomst. Laserstreaming zal toepassingen vinden in optisch gestuurde of geactiveerde apparaten zoals microfluïdica, laseraandrijving, laserchirurgie en -reiniging, massatransport of mengen, om er maar een paar te noemen, zeggen ze.

We kijken ernaar uit om de voortgang ervan in kaart te brengen.

Referentie: arxiv.org/abs/1708.05852 : Laserstreaming: een laserstraal in een vloeistofstroom veranderen

zich verstoppen