激光等离子体气泡多时间尺度生成机理研究
2019-03-29

 

导言:我校机械工程及自动化学院王玉亮副教授团队与荷兰特温特大学Detlef Lohse教授等人合作,利用超高速摄像机,在多个时间尺度上开展了激光等离子体气泡生成和生长机理研究,取得重要进展。研究成果先后发表在国际著名期刊美国科学院院刊(PNAS)及ACS Nano上。

 

 

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,能够迅速地将光能转化为热能。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。等离子气泡在太阳能利用、细胞疗法、医学影像增强和微纳尺度加工、制造和操作等方面有巨大的应用潜力,成为近年来微纳光学研究领域的热点研究方向。

 

我校机械工程及自动化学院王玉亮副教授与荷兰、加拿大等国际同行开展合作研究,采用帧频高达25 MHz的超高速光学成像技术,从nss的多个时间尺度上开展了激光等离子体气泡生成和生长机理研究工作,首次揭示了等离子体气泡生长的四个阶段,如图1所示。

 

 

 

 

1 激光照射下材料表面等离子体气泡演变的四个阶段

 

 

在第一阶段,研究团队首次发现在激光照射纳米金粒子修饰的样品表面很短的时间内(微秒级),材料表面会首先快速生成一个较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,该气泡有别于在毫秒以上时间尺度上所观测到的等离子体气泡,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一般情况下所能观测到的等离子体气泡的2000倍。同时,其生命周期很短,在大约十几微秒后便收缩消失。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,系统地揭示了初始等离子体气泡的生成机理,相关成果发表于美国科学院院刊(PNAS)。

 

 

 

2 单个初始等离子体气泡动态生长及收缩消逝过程

 

 

初始等离子体气泡消失后,会生成一系列震荡气泡(第二阶段),随后气泡逐渐进入稳定生长阶段(第三和第四阶段)。在这两个阶段,气泡体现了截然不同的动态生长特性。研究团队建立了基于气体扩散的气泡生长模型,揭示了溶解在水中的气体在气泡生长过程中的作用。研究表明,等离子气泡只有在产生后的大约10 ms以内主要由水汽组成(图3Phase III)。而后,水中溶解的空气逐渐通过液气界面扩散,进入气泡中,并在随后的气泡生长环节起主要作用(图3Phase IV)。该成果揭示了溶解在水中的气体在等离子体气泡生长过程中的作用,改变了之前等离子体气泡研究中所提出的等离子体气泡主要有水蒸气组成的结论。相关成果发表于国际知名期刊ACS Nano

 

 

 

 

3 第三和第四阶段等离子体气泡动态生长过程示意图

 

 

研究团队从纳秒到秒的多个时间尺度范围内,完整地揭示了等离子体气泡的生成和生长的演变过程,所揭示的初始等离子体气泡的超级动态特性,以及等离子体气泡的动态生成和生长机理,为等离子体气泡的可控生成及其应用奠定了基础。

 

 

 

王玉亮,机械工程及自动化学院,副教授,E-mail: wangyuliang@buaa.edu.cn

 

 

参考文献

 

[1]Yuliang Wang*, Mikhail E. Zaytsev, Guillaume P.R. Lajoinie, Hai Le The, Jan C.T. Eijkel, Albert van den Berg, Michel Versluis, Bert M. Weckhuysen, Xuehua Zhang, Harold J.W. Zandvliet and Detlef Lohse*, Giant and Explosive Plasmonic Bubbles by Delayed Nucleation, Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018, 115(30):7676-7681.

 

[2]Yuliang Wang*, Mikhail Zaytsev, Hai Le The, Jan Eijkel, Harold Zandvliet, Xuehua Zhang*, and Detlef Lohse*, Vapor and gas bubble growth dynamics around laser-irradiated water-immersed plasmonic nanoparticles. ACS Nano, 2017, 11(2):2045-2051.