“也许有一天，我们真的能像神话人物那样‘劈水为路，控水为剑’，这种非接触式的光学操作，也有助于跨学科研究和拓展广泛应用。”对于新成果，电子科技大学教授王志明充满畅想。

本次成果可从“水中月、镜中花”说起，每逢农历十五月圆之夜，水面就能看见一轮和天上一模一样的圆月，这便是大家熟悉的物理反射原理，同时也说明月亮光没有给水面带来任何影响。

（来源：Materials Today）

对于科学家来说，他要思考的是光照射到物体时，是否可以让物体变形？也就是光是否可以驱动液体？答案是肯定的。在王志明团队的最新研究中，他们真的让光变得可以驱动液体。

（来源：Materials Today）

首次在实验上，观察到激光和太阳光导致的液体宏观形变和破裂

王志明介绍称，本次论文一经发表就受到众多学者的关注，其研究意义在于突破了光控流体形变在微纳量级的局限，首次在实验上观察到了激光和太阳光导致液体宏观形变并破裂的现象。

在以往与光控液体形变相关的研究中，光热效应导致的液体形变往往发生在微纳米量级的液体薄膜上，而且形变非常微弱，需要借助显微手段才能观察到。

（来源：Materials Today）

在该研究中，激光照射可实现毫米量级厚度的磁流体下凹形变甚至破裂，这种光致毫米量级厚度的液体发生肉眼可见的宏观形变、甚至“切破”液体的现象，此前从未被观察到。

为了探索该光致液体宏观形变的机理，王志明团队通过 COMSOL（Comsol Multiphysics，多物理场）仿真，首次系统性地研究了影响光致液体下凹形变的多个物理参数，并优化了液体最大形变的条件。

（来源：Materials Today）

他们发现，液体的厚度、表面张力的温度系数、热导、比热容、吸光性和粘度等物理参数，都会对光致液体形变产生重要影响，尤其是吸光系数和液体的表面张力温度系数。

（来源：Materials Today）

仿真结果显示，其使用煤油、泵油和吸光染料制备出了光致宏观下凹形变的新型液体，这些液体可在普通激光笔、太阳光或者激光投影仪作用下产生复杂的图形。

为了凸显这种光控液体宏观形变的应用前景，王志明团队还展示了激光搬运液体：当激光光斑在毫米直径的细管中垂直抬升液体时，激光可以操控液体表面的不同液滴，甚至可以远程操控液体表面液滴化学反应的应用。

可以说，该研究突破了光控液体形变的微观局限，实现了液体毫米级的下凹甚至切割雕刻的形变，也系统深入地揭示了光控液体形变的机理和影响参数。

（来源：Materials Today）

研究中，他和团队还制备了一系列新型光热毛细作用的流体，并展示了相关应用实例，促进了光流控领域的基础研究和应用开发的发展。

该论文以电子科技大学第一单位发表在国际顶级期刊Materials Today上，并被期刊主编选为 Highlighted paper 作为亮点工作报道，论文题为《光驱动液体塑模、绘画和运动》（Molding, patterning and driving liquids with light）[1]。

图 | 光致液体图形化形变和驱动液体（来源：Materials Today）

图 | 研究成果被 Materials Today 作为 Highlighted paper 报道（来源：Materials Today）

光控流体研究最早可追溯到五年前

王志明表示，其团队在光控流体领域具有较长的研究历程，最早要追溯到 2016 年，次年利用光致超声的原理首次实现了激光对宏观流体的高速驱动，解决了光流控领域长期以来无法实现激光驱动宏观流体的难题，相关成果发表在Science Advances（Sci.Adv.3（9）2017）上，被期刊网站首页报道并被Nature Photonics（Nature Photon.11，684（2017））作为研究亮点报道。

图 |Science Advances官网首页报道光致超声驱动宏观流体运动（来源：Science Advances）

本次研究亦是基于光流控领域相关研究的探索和延伸，期间经历现象发现、机理探索、仿真计算、实验表征等多个阶段。

利用光切割或雕刻流体的项目，源于王志明团队在光流控研究中的一次偶然发现，当激光照射较薄的磁流体时，磁流体被打出一个凹坑，甚至液体破裂到容器底部。

针对这一新奇现象，他和团队展开了活跃猜想和讨论，结合相关文献大家普遍猜想是激光的光热效应，导致被激光照射液体的表面张力局部下降，周围未被照射的液体具有较高的表面张力，并拉动液体向四周流动形成了液体的下凹，即马兰戈尼效应。

但是，对于为何激光能在磁流体上产生如此巨大的形变、甚至切割液体，王志明团队一开始并不能完全理解。

（来源：Materials Today）

为了充分揭示磁流体在激光照射下宏观形变的机理，团队中来自中美多所大学不同领域的专家教授展开广泛合作，利用 COMSOL 软件进行了深入系统的仿真计算和实验验证。

针对液体厚度、表面张力温度系数、热导、比热容、吸光性和粘度等物理参数对光致液体形变的影响，他们做了仿真系统计算。

基于仿真结果，王志明和团队进行了广泛实验尝试和验证，最后发现煤油或泵油掺入吸光染料制备的液体，也具有磁流体类似的效果，进而可被激光、激光图形投影仪甚至太阳光切割。

为了展示光控磁流体宏观形变的优异特性，他们又设计了激光手写、雕刻液体、激光搬运、抬升和驱动液滴定向运动的应用。

有望用于远程精确驱动的微流控芯片

研究中，王志明团队也展示了一些基本应用示例，比如借助激光和日光可以在液体表面雕刻图形，还可让激光搬运液体，让激光驱动毛细管中的液体，让激光驱动液体表面液滴、甚至驱动不同液滴发生化学反应的应用。

（来源：Materials Today）

可以肯定的是在光流控领域，光致液体宏观形变将产生广泛应用。目前，王志明团队猜想激光雕刻液体薄膜产生的图形，可让液体薄膜作为一种反复应用、并直接书写的掩膜版光刻应用。

而激光在毛细管或液面驱动液体的运动，可作为一种光驱动液体的泵浦技术，从而用于远程精确驱动的微流控芯片。另外，液体表面在光斑作用下的下凹形变，可用作制备微透镜的动态可调模具。

王志明表示，作为光学和微流控结合的新兴交叉研究领域，光流控涉及背景知识广、研究难度大，因此多所大学的不同领域专家都来参与，大家一起在物理原理分析解释、数学分析、理论建模仿真等方面攻坚克难，最终才完成该项目。

图 | 王志明（来源：王志明）

围绕这项成果，他和团队还做了很多其他工作，在研究激光导致磁流体表面发生下凹形变的过程中他们发现，当液体厚度不断增加，下凹形变将逐渐减小，当液体厚度超过3毫米之后，液体下凹形变逐渐消失。

如果继续增加液体厚度，激光照射液面将导致液体发生上凸形变。上凸形变高度受到光斑尺寸、激光功率、液体厚度等因素的影响。

这种液体在光照射下出现的反重力的上凸形变是自马兰戈尼效应十九世纪中叶发现以来首次观测到的颠覆现象，打破了马兰戈尼效应导致液体下凹形变的固有认知。

作为该项目的延伸拓展工作，相关成果已以封面文章发表于Materials Today Physics（21（2021）100558）上。

（来源：Materials Today ）

将进一步揭示光致宏观形变的物理原理

王志明认为，除了开发后续的相关应用，更应该着重对流体的相关物理参数进行研究，进一步揭示光致宏观形变的物理原理，并制备出更多种类、更优性能的光流控材料。

基于光致液体形变、光雕刻流体、光驱动液体运动等优异性能，他和团队也将继续开发更多更贴近工业化的应用和产品，促进基础科学研究产业转化。

在国际合作与交流上，他也将继续推动科研人员开展跨学科、跨学校、跨国别的合作研究，鼓励团队中的青年教师和学生走出去，同时也邀请更多国际学者到中国访问研究。

只有打破国际交流阻碍，打破知识领域桎梏，勇于踏足艰难的未知领域才能探索出新的知识，推动人类文明的进步。

-End-

参考：

1、Lin F, Quraishy A N, Li R, et al. Molding, patterning and driving liquids with light[J].Materials Today, 2021, 51: 48-55.