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近日，南方科技大學(xué)力學(xué)與航空航天工程系教授鄧巍巍課題組發(fā)現(xiàn)了連續(xù)激光誘發(fā)液體射流共振的新現(xiàn)象，研究成果以封面文章的形式發(fā)表在物理領(lǐng)域旗艦期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters），并被選為“編輯推薦“(Editors’ Suggestion)。

光束在介質(zhì)界面折射或反射的時候動量發(fā)生改變，會在界面上施加壓力。這種現(xiàn)象就是光壓（radiation pressure）效應(yīng)。通常情況下，光的壓力極其微?。ɡ?W的激光反射產(chǎn)生的光壓力為10-9 N量級），所以只有在特殊的時間空間特征下才可以發(fā)揮光壓神奇的作用。目前基于光壓效應(yīng)的應(yīng)用有：原子冷卻 (atom cooling),太陽帆 (solar sail)，以及光鑷 (optical tweezers)。其中的原子冷卻和光鑷的工作分別在1997年和2018年被授予諾貝爾物理學(xué)獎。最高齡的諾獎得主之一的Arthur Ashkin開創(chuàng)了光鑷技術(shù)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，并且還在源源不斷地激發(fā)各種交叉學(xué)科的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。Ashkin利用光壓捕獲微小粒子的原創(chuàng)工作在1970年發(fā)表在《物理評論快報》(PRL)上，由于其深遠(yuǎn)的影響被選為了PRL里程碑文章 (PRL milestone letters)之一。Ashkin的研究還包括光壓在透明液體界面引起的形變(Ashkin& Dziedzic, PRL, 1973），為我們光流體共振的研究工作提供了寶貴的思路。

圖. 1首次實現(xiàn)利用光學(xué)壓力捕獲微小粒子(Ashkin, PRL, 1970)

圖. 2液體界面的光輻射壓(Ashkin& Dziedzic, 1973)

在流體力學(xué)中，射流(jet) 是一個經(jīng)典的研究對象。人們對于水龍頭內(nèi)流出的水柱最終為什么會分裂成液滴十分好奇。流體力學(xué)家用不穩(wěn)定性的理論解釋了射流的分裂行為，其被稱為Rayleigh-Plateau Instability。Plateau 給出了令人信服的定性解釋：射流的表面能趨于最小，而對于相同體積的液體來說，圓柱（射流）的表面積大于球體（液滴），所以一旦射流的圓柱形表面產(chǎn)生一定的形變，這個形變不會恢復(fù)，反而是一直發(fā)展至液柱分裂，形成更小的表面積。Rayleigh則首次在射流的流體力學(xué)控制方程中加入了線性疊加的微擾項，解出了描述射流分裂的色散關(guān)系 (dispersion relation)，也就是不同微擾項的波數(shù)κ與增長率ω的關(guān)系。這條ω-κ曲線有一個極值點，也就是最快傳播的微擾項對應(yīng)的狀態(tài)，它主導(dǎo)了射流的分裂行為。同時由于環(huán)境噪聲的存在，各微擾大小相當(dāng)，射流的分裂呈現(xiàn)出隨機，不均勻的狀態(tài)，也就是其尾端產(chǎn)生的液滴大小分布不均勻。而在諸如噴墨打印的工業(yè)應(yīng)用中，我們通常需要大小一致的液滴，以期得到要求的打印質(zhì)量。如果我們在射流的上游位置作用一個周期性變化的微擾（e.g. 利用機械振動，靜電場），放大最快增長模式的影響，射流會鎖定在這個分裂狀態(tài)，從而產(chǎn)生大小分布均勻(monodisperse) 的液滴。類似于這樣的方法共同的特點是：施加的擾動源是具有周期屬性的。其周期與射流本征的色散關(guān)系相吻合就能達(dá)到穩(wěn)定的均勻分裂狀態(tài)。那么有沒有可能射流在恒定外界擾動的情境下自發(fā)地鎖定在最快增長率模式呢？射流表面的曲率變化提供了這樣的可能。 

光壓的微小限制了它能夠作用的時空尺度，然而微射流不穩(wěn)定性中所要求的微擾大小卻正好是光學(xué)壓力可以達(dá)到的量級。我們將一束聚焦的連續(xù)激光照射在射流分裂點上方附近，射流尾端的曲率變化可以像振鏡一樣反射光束，光束在進入射流以后，某些時刻下達(dá)到的合適的曲率可以讓光束在射流內(nèi)部達(dá)到全反射的功率無損狀態(tài)。于是射流的類圓柱部分就像光纖一樣將光束傳導(dǎo)到了射流上游。光束在射流出口處液體界面作用的光壓引起了微小的形變，形成了我們需要的微擾。這樣的全反射時刻隨著射流表面曲率變化而周期性地出現(xiàn)，從而微擾也周期性地產(chǎn)生。在激光打開后很短的時間內(nèi)，射流就陷入了最快增長率分裂模式，呈現(xiàn)出高度均勻的分裂行為。

圖. 3裝置示意圖和典型分裂規(guī)則現(xiàn)象

這看起來很像是射流達(dá)到了一種共振，我們把這種狀態(tài)稱為“鎖定狀態(tài)” (lock-in state)，把這種現(xiàn)象稱為“光流體共振” (optofluidic resonance)。射流出其不意地在恒定外界擾動下達(dá)到光流體共振的狀態(tài)，展現(xiàn)出一種全新的驅(qū)動射流均勻分裂的機制。研究者們利用光線追蹤模擬計算了光束隨著射流曲率變化而在射流內(nèi)部產(chǎn)生的光壓大小變化。射流出口處的光壓大小在射流接近分裂時刻時達(dá)到頂峰，它引起的微小形變發(fā)展到下游促成了射流分裂成液滴。射流的分裂狀態(tài)與色散關(guān)系中的最快增長率狀態(tài)相吻合。

圖. 4光線追蹤結(jié)果顯示光束周期性地被傳導(dǎo)到射流上游

射流中的光流體共振現(xiàn)象展示了光壓和流體不穩(wěn)定性的耦合，為我們驅(qū)動射流分裂提供了一個全新的思路。APS在其物理網(wǎng)站Physics (physics.aps.org)的Focus專欄撰文推介這項工作，其中援引法國波爾多大學(xué)的Jean-Pierre Delville評價說：“這項工作的思路非常聰明，因為不僅射流的分裂被完美操控，而且避免了常見的液滴再次融合?！埃ā癟his idea is very clever, because not only is the breakup perfectly controlled but also because the usual assembly of drops is suppressed.”)。這項工作的原創(chuàng)性與重要性得到了審稿人與編輯的高度肯定，被選為封面文章(Fig.5)和“編輯推薦” (Editors‘ suggestion)。大約只有六分之一的PRL錄用稿件被選為推薦文章，以期引起更加廣闊的交叉學(xué)科興趣。

圖. 5 PRL封面(Volume 127, Issue 24, 2021)

南科大是論文第一單位。南科大2017級本科生（現(xiàn)為耶魯大學(xué)2021級博士生）柳皓宇為第一作者，南科大博士生王志備、南科大-香港理工聯(lián)培博士生高立豪、華中科技大學(xué)教授黃永安以及香港理工大學(xué)教授唐輝為共同作者。南科大前沿與交叉研究院的教授趙新彥和鄧巍巍為共同通訊作者。此項研究獲得了國家自然科學(xué)基金、南科大軟物質(zhì)與復(fù)雜流動研究所、廣東省信息功能氧化物材料與器件重點實驗室的支持。

論文鏈接： https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.244502 

供稿：力學(xué)與航空航天工程系

通訊員：朱學(xué)良

主圖：丘妍

編輯：朱增光