论文介绍-----光驱动的微气泡发动机
我们乘坐的汽车由发动机驱动，发动机与人类生活密切相关，像心脏驱使血液循环一样，微发动机作为动力源头大有用武之地。微发动机在光驱人工智能机器人、将药物输送到人体病变部位、强化流体混合与反应、光流体器件（泵、阀等）、调控太阳能系统的气泡动力学等领域有广泛应用前景。万物生长靠太阳，光能具有非接触、无污染等优点，对周围环境没有电磁干扰，然而，光驱发动机研制并非易事。但光照射表面时，“光颗粒”动量变化产生的力称为光压，光压太小，使其应用受到很大限制。有科学家进行了光压驱动液-液界面的实验，表明光压只能驱动表面张力小于10-7n/m的表面变形，该表面张力比水小9个量级。
为解决传统光压太小的问题，我校热科学与工程团队徐进良教授从理论上提出间接光压新概念。下图右侧为汽车发动机中活塞来回往复工作，左侧为光驱气泡发动机的工作状态。光照射纳米流体时，由于纳米颗粒等离激元共振效应强化了光能吸收，产生气泡，当气泡尺寸大于光波波长时，光线在气泡表面传播遵循几何光学原理，产生折射和反射现象，气泡被分成向阳面和背阳面。向阳面液体蒸发比背阳面快，气泡膨胀引起气液介质间的动量交换，气泡表面受到指向中心的力。在与光线传播垂直的方向，蒸发动量力相互抵消，合力为零；沿光线传播方向，气泡不均匀膨胀产生了净合力。产生动量交换的介质是气液流体，不是“光颗粒”，因而光致气泡生长产生的力称为间接光压。传统光压与光强成线性关系，而间接光压与光强的二次方成正比，表明间接光压对光强变化具有很好敏感性，为其应用提供了便利。
该成果以题为a new mechanism of light-induced bubble growth to propel microbubble piston engine发表在国际著名杂志small(https://doi.org/10.1002/smll.202001548)上，引发国内外学界热烈反响。论文给出了间接光压的理论表达式，提出了3个新的无量纲准则数，以表征间接光压相对于其它力的重要性。发现气泡大小处于一定范围时，间接光压比气泡受到的其它力都大。脉冲激光垂直照射纳米流体时，观测到气泡永远停留在水面下，从不溢出水面，打破了开式系统中气泡溢出水面的常规认识，促使光致气泡发动机的诞生。在脉冲激光on阶段，间接光压为气泡提供了比重力加速度大3到4个量级的加速度，使气泡快速冲向水面深处，在激光off阶段，由于间接光压的瞬时撤销，气泡上浮。脉冲激光维持了气泡的往复运动，类似于活塞在气缸中的往复运动，光致气泡发动机为光流体应用开辟了新途径。