南科大邓巍巍课题组在PRL发表封面文章报道光流体力学新进展
2021年12月20日 科研新闻 浏览量 :2088

近日,南方科技大学力学与航空航天工程系教授邓巍巍课题组发现了连续激光诱发液体射流共振的新现象,研究成果以封面文章的形式发表在物理领域旗舰期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters),并被选为“编辑推荐“(Editors’ Suggestion)。

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光束在介质界面折射或反射的时候动量发生改变,会在界面上施加压力。这种现象就是光压(radiation pressure)效应。通常情况下,光的压力极其微小(例如1W的激光反射产生的光压力为10-9 N量级),所以只有在特殊的时间空间特征下才可以发挥光压神奇的作用。目前基于光压效应的应用有:原子冷却 (atom cooling),太阳帆 (solar sail),以及光镊 (optical tweezers)。其中的原子冷却和光镊的工作分别在1997年和2018年被授予诺贝尔物理学奖。最高龄的诺奖得主之一的Arthur Ashkin开创了光镊技术,已经广泛地应用在了生物医学领域,并且还在源源不断地激发各种交叉学科的科学发现。Ashkin利用光压捕获微小粒子的原创工作在1970年发表在《物理评论快报》(PRL)上,由于其深远的影响被选为了PRL里程碑文章 (PRL milestone letters)之一。Ashkin的研究还包括光压在透明液体界面引起的形变(Ashkin& Dziedzic, PRL, 1973),为我们光流体共振的研究工作提供了宝贵的思路。

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图. 1首次实现利用光学压力捕获微小粒子(Ashkin, PRL, 1970)

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图. 2液体界面的光辐射压(Ashkin& Dziedzic, 1973)

在流体力学中,射流(jet) 是一个经典的研究对象。人们对于水龙头内流出的水柱最终为什么会分裂成液滴十分好奇。流体力学家用不稳定性的理论解释了射流的分裂行为,其被称为Rayleigh-Plateau Instability。Plateau 给出了令人信服的定性解释:射流的表面能趋于最小,而对于相同体积的液体来说,圆柱(射流)的表面积大于球体(液滴),所以一旦射流的圆柱形表面产生一定的形变,这个形变不会恢复,反而是一直发展至液柱分裂,形成更小的表面积。Rayleigh则首次在射流的流体力学控制方程中加入了线性叠加的微扰项,解出了描述射流分裂的色散关系 (dispersion relation),也就是不同微扰项的波数κ与增长率ω的关系。这条ω-κ曲线有一个极值点,也就是最快传播的微扰项对应的状态,它主导了射流的分裂行为。同时由于环境噪声的存在,各微扰大小相当,射流的分裂呈现出随机,不均匀的状态,也就是其尾端产生的液滴大小分布不均匀。而在诸如喷墨打印的工业应用中,我们通常需要大小一致的液滴,以期得到要求的打印质量。如果我们在射流的上游位置作用一个周期性变化的微扰(e.g. 利用机械振动,静电场),放大最快增长模式的影响,射流会锁定在这个分裂状态,从而产生大小分布均匀(monodisperse) 的液滴。类似于这样的方法共同的特点是:施加的扰动源是具有周期属性的。其周期与射流本征的色散关系相吻合就能达到稳定的均匀分裂状态。那么有没有可能射流在恒定外界扰动的情境下自发地锁定在最快增长率模式呢?射流表面的曲率变化提供了这样的可能。 

光压的微小限制了它能够作用的时空尺度,然而微射流不稳定性中所要求的微扰大小却正好是光学压力可以达到的量级。我们将一束聚焦的连续激光照射在射流分裂点上方附近,射流尾端的曲率变化可以像振镜一样反射光束,光束在进入射流以后,某些时刻下达到的合适的曲率可以让光束在射流内部达到全反射的功率无损状态。于是射流的类圆柱部分就像光纤一样将光束传导到了射流上游。光束在射流出口处液体界面作用的光压引起了微小的形变,形成了我们需要的微扰。这样的全反射时刻随着射流表面曲率变化而周期性地出现,从而微扰也周期性地产生。在激光打开后很短的时间内,射流就陷入了最快增长率分裂模式,呈现出高度均匀的分裂行为。

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图. 3装置示意图和典型分裂规则现象

这看起来很像是射流达到了一种共振,我们把这种状态称为“锁定状态” (lock-in state),把这种现象称为“光流体共振” (optofluidic resonance)。射流出其不意地在恒定外界扰动下达到光流体共振的状态,展现出一种全新的驱动射流均匀分裂的机制。研究者们利用光线追踪模拟计算了光束随着射流曲率变化而在射流内部产生的光压大小变化。射流出口处的光压大小在射流接近分裂时刻时达到顶峰,它引起的微小形变发展到下游促成了射流分裂成液滴。射流的分裂状态与色散关系中的最快增长率状态相吻合。

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图. 4光线追踪结果显示光束周期性地被传导到射流上游

射流中的光流体共振现象展示了光压和流体不稳定性的耦合,为我们驱动射流分裂提供了一个全新的思路。APS在其物理网站Physics (physics.aps.org)的Focus专栏撰文推介这项工作,其中援引法国波尔多大学的Jean-Pierre Delville评价说:“这项工作的思路非常聪明,因为不仅射流的分裂被完美操控,而且避免了常见的液滴再次融合。“(“This idea is very clever, because not only is the breakup perfectly controlled but also because the usual assembly of drops is suppressed.”)。这项工作的原创性与重要性得到了审稿人与编辑的高度肯定,被选为封面文章(Fig.5)和“编辑推荐” (Editors‘ suggestion)。大约只有六分之一的PRL录用稿件被选为推荐文章,以期引起更加广阔的交叉学科兴趣。

微信图片编辑_20211220090842.jpg 图. 5 PRL封面(Volume 127, Issue 24, 2021)

南科大是论文第一单位。南科大2017级本科生(现为耶鲁大学2021级博士生)柳皓宇为第一作者,南科大博士生王志备、南科大-香港理工联培博士生高立豪、华中科技大学教授黄永安以及香港理工大学教授唐辉为共同作者。南科大前沿与交叉研究院的教授赵新彦和邓巍巍为共同通讯作者。此项研究获得了国家自然科学基金、南科大软物质与复杂流动研究所、广东省信息功能氧化物材料与器件重点实验室的支持。

 

论文链接: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.244502 

 

供稿:力学与航空航天工程系

通讯员:朱学良

主图:丘妍

编辑:朱增光

 


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