“也許有一天，我們真的能像神話(huà)人物那樣‘劈水為路，控水為劍’，這種非接觸式的光學(xué)操作，也有助于跨學(xué)科研究和拓展廣泛應用?！睂τ谛鲁晒?，電子科技大學(xué)教授王志明充滿(mǎn)暢想。

本次成果可從“水中月、鏡中花”說(shuō)起，每逢農歷十五月圓之夜，水面就能看見(jiàn)一輪和天上一模一樣的圓月，這便是大家熟悉的物理反射原理，同時(shí)也說(shuō)明月亮光沒(méi)有給水面帶來(lái)任何影響。

（來(lái)源：Materials Today）

對于科學(xué)家來(lái)說(shuō)，他要思考的是光照射到物體時(shí)，是否可以讓物體變形？也就是光是否可以驅動(dòng)液體？答案是肯定的。在王志明團隊的最新研究中，他們真的讓光變得可以驅動(dòng)液體。

（來(lái)源：Materials Today）

首次在實(shí)驗上，觀(guān)察到激光和太陽(yáng)光導致的液體宏觀(guān)形變和破裂

王志明介紹稱(chēng)，本次論文一經(jīng)發(fā)表就受到眾多學(xué)者的關(guān)注，其研究意義在于突破了光控流體形變在微納量級的局限，首次在實(shí)驗上觀(guān)察到了激光和太陽(yáng)光導致液體宏觀(guān)形變并破裂的現象。

在以往與光控液體形變相關(guān)的研究中，光熱效應導致的液體形變往往發(fā)生在微納米量級的液體薄膜上，而且形變非常微弱，需要借助顯微手段才能觀(guān)察到。

在該研究中，激光照射可實(shí)現毫米量級厚度的磁流體下凹形變甚至破裂，這種光致毫米量級厚度的液體發(fā)生肉眼可見(jiàn)的宏觀(guān)形變、甚至“切破”液體的現象，此前從未被觀(guān)察到。

為了探索該光致液體宏觀(guān)形變的機理，王志明團隊通過(guò)COMSOL（Comsol Multiphysics，多物理場(chǎng)）仿真，首次系統性地研究了影響光致液體下凹形變的多個(gè)物理參數，并優(yōu)化了液體最大形變的條件。

（來(lái)源：Materials Today）

他們發(fā)現，液體的厚度、表面張力的溫度系數、熱導、比熱容、吸光性和粘度等物理參數，都會(huì )對光致液體形變產(chǎn)生重要影響，尤其是吸光系數和液體的表面張力溫度系數。

仿真結果顯示，其使用煤油、泵油和吸光染料制備出了光致宏觀(guān)下凹形變的新型液體，這些液體可在普通激光筆、太陽(yáng)光或者激光投影儀作用下產(chǎn)生復雜的圖形。

為了凸顯這種光控液體宏觀(guān)形變的應用前景，王志明團隊還展示了激光搬運液體：當激光光斑在毫米直徑的細管中垂直抬升液體時(shí)，激光可以操控液體表面的不同液滴，甚至可以遠程操控液體表面液滴化學(xué)反應的應用。

可以說(shuō)，該研究突破了光控液體形變的微觀(guān)局限，實(shí)現了液體毫米級的下凹甚至切割雕刻的形變，也系統深入地揭示了光控液體形變的機理和影響參數。

（來(lái)源：Materials Today）

研究中，他和團隊還制備了一系列新型光熱毛細作用的流體，并展示了相關(guān)應用實(shí)例，促進(jìn)了光流控領(lǐng)域的基礎研究和應用開(kāi)發(fā)的發(fā)展。

該論文以電子科技大學(xué)第一單位發(fā)表在國際頂級期刊Materials Today上，并被期刊主編選為Highlighted paper作為亮點(diǎn)工作報道，論文題為《光驅動(dòng)液體塑模、繪畫(huà)和運動(dòng)》（Molding,patterning and driving liquids with light）[1]。

圖|光致液體圖形化形變和驅動(dòng)液體（來(lái)源：Materials Today）

中國科學(xué)家實(shí)現光驅動(dòng)液體，突破光控流體形變在微納量級的局限

光控流體研究最早可追溯到五年前

王志明表示，其團隊在光控流體領(lǐng)域具有較長(cháng)的研究歷程，最早要追溯到2016年，次年利用光致超聲的原理首次實(shí)現了激光對宏觀(guān)流體的高速驅動(dòng)，解決了光流控領(lǐng)域長(cháng)期以來(lái)無(wú)法實(shí)現激光驅動(dòng)宏觀(guān)流體的難題，相關(guān)成果發(fā)表在Science Advances（Sci.Adv.3（9）2017）上，被期刊網(wǎng)站首頁(yè)報道并被Nature Photonics（Nature Photon.11，684（2017））作為研究亮點(diǎn)報道。

2019年，他和團隊在PNAS（PNAS.116（14）6580-65852019）上發(fā)表了利用離子注入技術(shù)將金顆粒注入到石英基板中制備光致超聲微流控泵的新技術(shù)，并對光致超聲微流控泵的原理和制備工藝進(jìn)行了系統研究（Opt.Express 29,22567-22577（2021））。

圖|Science Advances官網(wǎng)首頁(yè)報道光致超聲驅動(dòng)宏觀(guān)流體運動(dòng)（來(lái)源：Science Advances）

本次研究亦是基于光流控領(lǐng)域相關(guān)研究的探索和延伸，期間經(jīng)歷現象發(fā)現、機理探索、仿真計算、實(shí)驗表征等多個(gè)階段。

利用光切割或雕刻流體的項目，源于王志明團隊在光流控研究中的一次偶然發(fā)現，當激光照射較薄的磁流體時(shí)，磁流體被打出一個(gè)凹坑，甚至液體破裂到容器底部。

針對這一新奇現象，他和團隊展開(kāi)了活躍猜想和討論，結合相關(guān)文獻大家普遍猜想是激光的光熱效應，導致被激光照射液體的表面張力局部下降，周?chē)幢徽丈涞囊后w具有較高的表面張力，并拉動(dòng)液體向四周流動(dòng)形成了液體的下凹，即馬蘭戈尼效應。

但是，對于為何激光能在磁流體上產(chǎn)生如此巨大的形變、甚至切割液體，王志明團隊一開(kāi)始并不能完全理解。

為了充分揭示磁流體在激光照射下宏觀(guān)形變的機理，團隊中來(lái)自中美多所大學(xué)不同領(lǐng)域的專(zhuān)家教授展開(kāi)廣泛合作，利用COMSOL軟件進(jìn)行了深入系統的仿真計算和實(shí)驗驗證。

針對液體厚度、表面張力溫度系數、熱導、比熱容、吸光性和粘度等物理參數對光致液體形變的影響，他們做了仿真系統計算。

基于仿真結果，王志明和團隊進(jìn)行了廣泛實(shí)驗嘗試和驗證，最后發(fā)現煤油或泵油摻入吸光染料制備的液體，也具有磁流體類(lèi)似的效果，進(jìn)而可被激光、激光圖形投影儀甚至太陽(yáng)光切割。

為了展示光控磁流體宏觀(guān)形變的優(yōu)異特性，他們又設計了激光手寫(xiě)、雕刻液體、激光搬運、抬升和驅動(dòng)液滴定向運動(dòng)的應用。

有望用于遠程精確驅動(dòng)的微流控芯片

研究中，王志明團隊也展示了一些基本應用示例，比如借助激光和日光可以在液體表面雕刻圖形，還可讓激光搬運液體，讓激光驅動(dòng)毛細管中的液體，讓激光驅動(dòng)液體表面液滴、甚至驅動(dòng)不同液滴發(fā)生化學(xué)反應的應用。

可以肯定的是在光流控領(lǐng)域，光致液體宏觀(guān)形變將產(chǎn)生廣泛應用。目前，王志明團隊猜想激光雕刻液體薄膜產(chǎn)生的圖形，可讓液體薄膜作為一種反復應用、并直接書(shū)寫(xiě)的掩膜版光刻應用。

而激光在毛細管或液面驅動(dòng)液體的運動(dòng)，可作為一種光驅動(dòng)液體的泵浦技術(shù)，從而用于遠程精確驅動(dòng)的微流控芯片。另外，液體表面在光斑作用下的下凹形變，可用作制備微透鏡的動(dòng)態(tài)可調模具。

王志明表示，作為光學(xué)和微流控結合的新興交叉研究領(lǐng)域，光流控涉及背景知識廣、研究難度大，因此多所大學(xué)的不同領(lǐng)域專(zhuān)家都來(lái)參與，大家一起在物理原理分析解釋、數學(xué)分析、理論建模仿真等方面攻堅克難，最終才完成該項目。

圖|王志明（來(lái)源：王志明）

圍繞這項成果，他和團隊還做了很多其他工作，在研究激光導致磁流體表面發(fā)生下凹形變的過(guò)程中他們發(fā)現，當液體厚度不斷增加，下凹形變將逐漸減小，當液體厚度超過(guò)3毫米之后，液體下凹形變逐漸消失。

如果繼續增加液體厚度，激光照射液面將導致液體發(fā)生上凸形變。上凸形變高度受到光斑尺寸、激光功率、液體厚度等因素的影響。

這種液體在光照射下出現的反重力的上凸形變是自馬蘭戈尼效應十九世紀中葉發(fā)現以來(lái)首次觀(guān)測到的顛覆現象，打破了馬蘭戈尼效應導致液體下凹形變的固有認知。

作為該項目的延伸拓展工作，相關(guān)成果已以封面文章發(fā)表于Materials Today Physics（21（2021）100558）上。

將進(jìn)一步揭示光致宏觀(guān)形變的物理原理

王志明認為，除了開(kāi)發(fā)后續的相關(guān)應用，更應該著(zhù)重對流體的相關(guān)物理參數進(jìn)行研究，進(jìn)一步揭示光致宏觀(guān)形變的物理原理，并制備出更多種類(lèi)、更優(yōu)性能的光流控材料。

基于光致液體形變、光雕刻流體、光驅動(dòng)液體運動(dòng)等優(yōu)異性能，他和團隊也將繼續開(kāi)發(fā)更多更貼近工業(yè)化的應用和產(chǎn)品，促進(jìn)基礎科學(xué)研究產(chǎn)業(yè)轉化。

在國際合作與交流上，他也將繼續推動(dòng)科研人員開(kāi)展跨學(xué)科、跨學(xué)校、跨國別的合作研究，鼓勵團隊中的青年教師和學(xué)生走出去，同時(shí)也邀請更多國際學(xué)者到中國訪(fǎng)問(wèn)研究。

只有打破國際交流阻礙，打破知識領(lǐng)域桎梏，勇于踏足艱難的未知領(lǐng)域才能探索出新的知識，推動(dòng)人類(lèi)文明的進(jìn)步。