“也(ye)許有(you)一天，我們(men)真(zhen)的能像神(shen)話人(ren)物那(nei)樣‘劈(pi)水為路，控水為劍’，這(zhe)種(zhong)非接觸(chu)式的光(guang)學操作，也(ye)有(you)助于跨(kua)學科(ke)研究和拓(tuo)展(zhan)廣泛應用。”對于新(xin)成果，電子(zi)科(ke)技大學教授王志明充(chong)滿暢想。

本次成果(guo)可從“水(shui)中(zhong)月、鏡中(zhong)花”說(shuo)起，每逢(feng)農歷十五月圓之夜，水(shui)面(mian)就能看見(jian)一輪(lun)和天上一模一樣的圓月，這(zhe)便(bian)是大家熟悉的物理反(fan)射原理，同時也說(shuo)明月亮光沒有給水(shui)面(mian)帶來任何影響。

（來源：Materials Today）

對(dui)于科學家來說，他要(yao)思考的(de)(de)是(shi)光(guang)照射到物(wu)(wu)體時(shi)，是(shi)否(fou)(fou)可(ke)以(yi)讓(rang)物(wu)(wu)體變形？也就是(shi)光(guang)是(shi)否(fou)(fou)可(ke)以(yi)驅動液體？答案是(shi)肯定的(de)(de)。在王(wang)志明(ming)團隊的(de)(de)最新(xin)研(yan)究(jiu)中(zhong)，他們(men)真(zhen)的(de)(de)讓(rang)光(guang)變得可(ke)以(yi)驅動液體。

（來源：Materials Today）

首(shou)次(ci)在實(shi)驗上，觀察到激光(guang)和太陽光(guang)導致(zhi)的液體宏觀形變和破裂

王志(zhi)明(ming)介(jie)紹稱，本(ben)次論文一經發(fa)表就受(shou)到眾多(duo)學(xue)者的關注，其研究意(yi)義在于突破(po)(po)了(le)(le)光控流體(ti)形變在微納量級的局限，首次在實(shi)驗上觀(guan)察到了(le)(le)激(ji)光和太陽光導致(zhi)液體(ti)宏觀(guan)形變并(bing)破(po)(po)裂(lie)的現象。

在以往(wang)與光控液(ye)體形變相關的研究(jiu)中，光熱效應導(dao)致的液(ye)體形變往(wang)往(wang)發生(sheng)在微納米量級的液(ye)體薄(bo)膜上，而且(qie)形變非常微弱(ruo)，需要借助顯微手(shou)段(duan)才(cai)能觀察到(dao)。

在該(gai)研(yan)究中(zhong)，激光照(zhao)射可實(shi)現毫米(mi)量(liang)級(ji)厚(hou)度的(de)(de)磁流(liu)體(ti)(ti)下凹形(xing)變(bian)(bian)甚至破裂，這種光致毫米(mi)量(liang)級(ji)厚(hou)度的(de)(de)液(ye)體(ti)(ti)發生肉眼可見的(de)(de)宏觀形(xing)變(bian)(bian)、甚至“切(qie)破”液(ye)體(ti)(ti)的(de)(de)現象，此前從未被(bei)觀察到。

為了(le)探(tan)索(suo)該光致液體宏(hong)觀形(xing)(xing)變的(de)機理，王(wang)志明團隊通過COMSOL（Comsol Multiphysics，多(duo)物理場）仿真，首次系(xi)統性地研究了(le)影響(xiang)光致液體下凹形(xing)(xing)變的(de)多(duo)個物理參數，并優化了(le)液體最大形(xing)(xing)變的(de)條件。

（來源：Materials Today）

他們發現，液(ye)體(ti)的(de)厚(hou)度(du)(du)(du)(du)、表(biao)面(mian)張力的(de)溫度(du)(du)(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)、熱導、比熱容、吸光(guang)性(xing)和粘(zhan)度(du)(du)(du)(du)等物(wu)理參數(shu)(shu)，都會對光(guang)致液(ye)體(ti)形變(bian)產生重要影(ying)響，尤其是吸光(guang)系(xi)數(shu)(shu)和液(ye)體(ti)的(de)表(biao)面(mian)張力溫度(du)(du)(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)。

仿真結(jie)果顯示，其(qi)使(shi)用煤油、泵(beng)油和(he)吸光染料制備出(chu)了光致(zhi)宏觀(guan)下(xia)凹形變(bian)的新型液(ye)體(ti)，這些液(ye)體(ti)可在普通激(ji)光筆、太陽光或者(zhe)激(ji)光投影(ying)儀作用下(xia)產生復雜的圖(tu)形。

為了(le)凸顯這種光控液(ye)體宏觀形變的應用前(qian)景，王志(zhi)明(ming)團隊還展示(shi)了(le)激(ji)光搬運液(ye)體：當(dang)激(ji)光光斑在毫米直徑的細管中垂直抬升液(ye)體時，激(ji)光可以操控液(ye)體表(biao)面的不同液(ye)滴，甚至(zhi)可以遠程操控液(ye)體表(biao)面液(ye)滴化學反應的應用。

可以說(shuo)，該(gai)研究突破(po)了光控液(ye)體形(xing)變(bian)的(de)微觀(guan)局限，實(shi)現了液(ye)體毫米級(ji)的(de)下(xia)凹甚(shen)至切(qie)割雕刻的(de)形(xing)變(bian)，也系統深入地揭示了光控液(ye)體形(xing)變(bian)的(de)機理和影(ying)響參數(shu)。

（來(lai)源：Materials Today）

研究(jiu)中，他(ta)和團隊還制備了一系列新型(xing)光(guang)熱毛細作用(yong)(yong)的(de)流(liu)體，并展示(shi)了相關應用(yong)(yong)實例，促進了光(guang)流(liu)控領(ling)域的(de)基(ji)礎研究(jiu)和應用(yong)(yong)開發(fa)的(de)發(fa)展。

該論文以電子科技大學第一單位發表在國際頂級期(qi)刊(kan)Materials Today上(shang)，并被(bei)期(qi)刊(kan)主編選為Highlighted paper作為亮點工作報道，論文題為《光驅(qu)動(dong)液(ye)體塑模、繪畫和運動(dong)》（Molding,patterning and driving liquids with light）[1]。

圖|光致液(ye)體(ti)圖形化形變和(he)驅動液(ye)體(ti)（來源(yuan)：Materials Today）

中國科(ke)學家實現光驅動液體，突破光控(kong)流體形變在(zai)微納(na)量級的局限

光控流(liu)體(ti)研究最早可追溯到五年前

王志明表(biao)示(shi)，其團隊在光控流體(ti)領域(yu)具有較長的(de)研究(jiu)歷程，最(zui)早要(yao)追溯(su)到2016年(nian)，次年(nian)利(li)用光致超(chao)聲的(de)原理首次實(shi)現(xian)了(le)激光對宏(hong)(hong)觀流體(ti)的(de)高速驅(qu)(qu)動，解決了(le)光流控領域(yu)長期(qi)以來無法實(shi)現(xian)激光驅(qu)(qu)動宏(hong)(hong)觀流體(ti)的(de)難題，相關成果發(fa)表(biao)在Science Advances（Sci.Adv.3（9）2017）上，被期(qi)刊(kan)網站首頁報(bao)道并被Nature Photonics（Nature Photon.11，684（2017））作(zuo)為研究(jiu)亮點報(bao)道。

2019年，他(ta)和團隊在(zai)PNAS（PNAS.116（14）6580-65852019）上發表了利用離(li)子注入(ru)技術將(jiang)金(jin)顆(ke)粒(li)注入(ru)到(dao)石英基板中制備(bei)光致(zhi)超(chao)聲(sheng)微流(liu)控泵的新技術，并對光致(zhi)超(chao)聲(sheng)微流(liu)控泵的原理(li)和制備(bei)工藝進行(xing)了系(xi)統研究(jiu)（Opt.Express 29,22567-22577（2021））。

圖|Science Advances官網首頁報道光致超聲驅動宏觀(guan)流體運動（來源：Science Advances）

 本次(ci)研究亦是基于光流(liu)控領域(yu)相關研究的探索和延伸，期間經歷(li)現象發(fa)現、機理(li)探索、仿真計算、實驗(yan)表征(zheng)等(deng)多個階(jie)段(duan)。

利(li)用光(guang)切割或雕刻流(liu)體的項目(mu)，源于王志(zhi)明團隊在光(guang)流(liu)控研究中的一次(ci)偶然發現，當激光(guang)照射較薄的磁流(liu)體時，磁流(liu)體被打出(chu)一個(ge)凹坑，甚(shen)至液體破裂(lie)到容器底部。

針對這一(yi)新(xin)奇現(xian)象，他和團隊展開了活躍猜想和討論，結合相(xiang)關(guan)文獻大家普遍猜想是激光的(de)光熱效應，導(dao)致被激光照射液(ye)(ye)(ye)體(ti)的(de)表面(mian)張力局部下(xia)降，周(zhou)圍未(wei)被照射的(de)液(ye)(ye)(ye)體(ti)具有較高的(de)表面(mian)張力，并拉(la)動(dong)液(ye)(ye)(ye)體(ti)向四周(zhou)流動(dong)形成了液(ye)(ye)(ye)體(ti)的(de)下(xia)凹，即馬蘭戈(ge)尼效應。

但是(shi)，對于為何激光能(neng)在磁流體(ti)上產(chan)生(sheng)如此巨大的形(xing)變、甚(shen)至切割(ge)液體(ti)，王志(zhi)明團隊一開始并不能(neng)完全理解。

為(wei)了(le)充分揭示磁流體在(zai)激光照(zhao)射下宏(hong)觀(guan)形(xing)變的機理，團隊中來自中美多(duo)所大學不(bu)同領域的專(zhuan)家教授(shou)展開廣泛合(he)作(zuo)，利(li)用COMSOL軟件進(jin)行了(le)深入(ru)系統的仿(fang)真計算和實(shi)驗(yan)驗(yan)證。

針對液(ye)體厚(hou)度、表面張(zhang)力溫度系數、熱(re)導、比熱(re)容、吸光性和粘度等物理參數對光致液(ye)體形變(bian)的影(ying)響，他(ta)們做了(le)仿真系統計算。

基于仿真結果，王志(zhi)明和(he)團隊(dui)進行了廣泛實驗嘗(chang)試和(he)驗證，最(zui)后發現煤油(you)或泵(beng)油(you)摻(chan)入吸光(guang)(guang)染料(liao)制備的液體，也具有磁流體類似的效果，進而可(ke)被激(ji)光(guang)(guang)、激(ji)光(guang)(guang)圖(tu)形投(tou)影儀(yi)甚至太(tai)陽光(guang)(guang)切(qie)割。

為了展示光控磁流體(ti)(ti)宏(hong)觀(guan)形變的(de)優異特(te)性，他們又(you)設計(ji)了激光手寫、雕刻液(ye)體(ti)(ti)、激光搬運(yun)、抬升和驅(qu)動(dong)液(ye)滴定向運(yun)動(dong)的(de)應用。

有望用于遠程精確驅動的微流控芯片

研(yan)究中(zhong)，王志明團隊也展示(shi)了一些基(ji)本應用示(shi)例，比如借(jie)助(zhu)激光(guang)和日(ri)光(guang)可(ke)以在液(ye)(ye)體表面雕(diao)刻圖形，還可(ke)讓(rang)激光(guang)搬運液(ye)(ye)體，讓(rang)激光(guang)驅動(dong)(dong)毛細管中(zhong)的液(ye)(ye)體，讓(rang)激光(guang)驅動(dong)(dong)液(ye)(ye)體表面液(ye)(ye)滴、甚至驅動(dong)(dong)不同液(ye)(ye)滴發(fa)生化學反應的應用。

可以肯(ken)定的(de)是在光流(liu)控領(ling)域，光致液體宏(hong)觀形變將產生廣泛應用。目前，王志明(ming)團(tuan)隊猜想激(ji)光雕(diao)刻液體薄膜產生的(de)圖形，可讓液體薄膜作為一種反復應用、并(bing)直接書寫的(de)掩膜版光刻應用。

而激(ji)光在毛細管(guan)或(huo)液(ye)(ye)面驅(qu)動(dong)液(ye)(ye)體的運動(dong)，可(ke)作(zuo)為一種光驅(qu)動(dong)液(ye)(ye)體的泵浦技(ji)術，從(cong)而用于(yu)遠程精確驅(qu)動(dong)的微流控芯(xin)片。另外，液(ye)(ye)體表面在光斑作(zuo)用下的下凹形變，可(ke)用作(zuo)制備微透鏡(jing)的動(dong)態可(ke)調模具。

王志明表示，作為光(guang)學(xue)和微流(liu)控(kong)結合的新興(xing)交叉研究(jiu)領域(yu)，光(guang)流(liu)控(kong)涉及背(bei)景(jing)知識廣、研究(jiu)難(nan)度大(da)，因(yin)此多(duo)所大(da)學(xue)的不同領域(yu)專家都來參(can)與，大(da)家一起在物理(li)(li)(li)原理(li)(li)(li)分析(xi)解釋、數學(xue)分析(xi)、理(li)(li)(li)論建(jian)模仿真等方面攻(gong)堅克難(nan)，最(zui)終才(cai)完成(cheng)該項(xiang)目。

圖|王志(zhi)明(ming)（來源：王志(zhi)明(ming)）

圍繞這項成(cheng)果，他和(he)團隊還(huan)做了很多其(qi)他工作，在研究激光導致磁流體(ti)(ti)表(biao)面發(fa)生下凹形變(bian)的過程中他們發(fa)現，當液(ye)體(ti)(ti)厚度不斷增加，下凹形變(bian)將逐漸(jian)減小(xiao)，當液(ye)體(ti)(ti)厚度超過3毫米之后，液(ye)體(ti)(ti)下凹形變(bian)逐漸(jian)消失。

如果繼續增加液(ye)體厚(hou)度(du)，激光(guang)照(zhao)射液(ye)面將導(dao)致液(ye)體發生上凸(tu)形變(bian)。上凸(tu)形變(bian)高度(du)受到光(guang)斑尺寸、激光(guang)功(gong)率(lv)、液(ye)體厚(hou)度(du)等因素的影響。

這種液(ye)體(ti)在光(guang)照射下(xia)出現的反重力的上(shang)凸形(xing)變(bian)(bian)是自馬蘭(lan)戈(ge)尼效應(ying)十(shi)九世紀(ji)中(zhong)葉(xie)發(fa)現以來首次觀測到的顛(dian)覆現象，打破了馬蘭(lan)戈(ge)尼效應(ying)導致液(ye)體(ti)下(xia)凹形(xing)變(bian)(bian)的固有認知。

作(zuo)為該項目(mu)的延伸拓展工(gong)作(zuo)，相關(guan)成果(guo)已(yi)以封面文(wen)章發表于Materials Today Physics（21（2021）100558）上(shang)。

將進一(yi)步(bu)揭示(shi)光(guang)致宏觀(guan)形變的(de)物理原理

王(wang)志明認為(wei)，除了開發后續的(de)(de)相關應用，更應該(gai)著重(zhong)對流體的(de)(de)相關物(wu)理(li)參(can)數進(jin)行(xing)研(yan)究，進(jin)一步(bu)揭示光(guang)致宏觀形變的(de)(de)物(wu)理(li)原(yuan)理(li)，并制備出更多(duo)種類、更優性(xing)能的(de)(de)光(guang)流控(kong)材料。

基于光(guang)致(zhi)液體形變、光(guang)雕刻流體、光(guang)驅動液體運動等優異性(xing)能，他(ta)和團隊也(ye)將繼續(xu)開發(fa)更(geng)多更(geng)貼近工業化的應用和產品，促進(jin)基礎科學研究產業轉化。

在國(guo)(guo)際(ji)合作與交流上，他也(ye)將繼續推動科(ke)研(yan)人員(yuan)開展(zhan)跨學科(ke)、跨學校、跨國(guo)(guo)別的合作研(yan)究(jiu)，鼓勵團隊(dui)中的青年教師和學生走出去，同時也(ye)邀請(qing)更多(duo)國(guo)(guo)際(ji)學者到中國(guo)(guo)訪問研(yan)究(jiu)。

只有打破國際交(jiao)流阻礙，打破知識(shi)領(ling)域(yu)桎(zhi)梏，勇于踏足艱難的未知領(ling)域(yu)才能探索出新(xin)的知識(shi)，推動人類文明的進步。