我校机械学院王玉亮副教授在激光等离子体气泡机理研究方面取得重要进展-新闻网

我校机械学院王玉亮副教授在激光等离子体气泡机理研究方面取得重要进展

点击数:    |    加入时间:2018-07-16

北航新闻网7月16日电(通讯员 文丽芳)近日,《美国科学院院刊》(PNAS)在线刊登了我校机械学院王玉亮副教授与荷兰特温特大学Detlef Lohse院士等人合作的最新研究成果“Giant and explosive plasmonic bubbles by delayed nucleation”。王玉亮副教授为本文的共同第一作者和通讯作者,我校为第一通讯单位。

金、银、铂等贵金属纳米颗粒在激光照射下存在等离子体效应,能够迅速的将光能转化为热能。在液体环境中,转化得到的热能可以迅速把水汽化,生成微米级气泡,称之为激光等离子气泡(plasmonic bubbles)。等离子气泡在太阳能利用(图1A)、细胞疗法(图1B)、医学影像增强(图1C)和微纳操作(图1D)等方面有巨大的应用潜力,成为近年来微纳领域的热点研究方向。

等离子体气泡在多个领域的广泛应用

近年来,王玉亮副教授以先进微纳测量技术研究为基础,在细胞层面开展了疾病诊断等方面的研究工作,探索基于等离子体效应的细胞疗法。为此,研究团队与国际流体力学知名专家Detlef Lohse院士合作,开展了等离子体气泡生成机理的研究工作。一直以来,基于连续激光的等离子体气泡的研究主要集中在毫秒->秒的时间尺度上。在前期研究中,研究团队揭示了这一常规等离子体气泡的动态生长机理,相关成果发表在ACSNano (影响因子:13.709)。以此为基础,结合等离子体效应的原理以及材料的热传导特性,研究团队进一步推测,在更短的时间尺度上,将存在更加剧烈的等离子体气泡动态演变过程。

为了验证这一推测,研究团队采用帧频高达25MHz的超高速相机,以纳秒级的测量分辨率,首次发现在激光照射后很短时间内,金纳米粒子修饰的材料表面会快速生成大尺寸的等离子体微气泡(图2)。不论在形貌上还是在动态特性上,这个气泡有别于通常在毫秒以上时间尺度上所观测的等离子体气泡,研究团队称之为初始等离子体气泡。初始等离子体气泡生长速度是之前所能观测到的等离子体气泡的2000倍,同时,其生长周期很短,在大约几十微秒后便收缩消失。研究团队进一步建立了基于热扩散和液体亚稳相分解的模型,系统的揭示了初始等离子体气泡的生成机理。

初始等离子体气泡动态生长及收缩消逝过程

这一成果同时揭示了在连续激光照射下,在纳秒到秒的时间跨度上,等离子体气泡完整的演变过程(图3)。该研究所揭示的初始等离子体气泡的超级动态特性,为等离子体气泡的控制以及应用奠定了基础。

激光照射下材料表面等离子体气泡演变的四个阶段

论文下载链接:http://www.pnas.org/content/early/2018/07/06/1805912115

编辑:孙也程

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