近日，上海交通大学材料科学与工程学院邓涛教授和付本威副研究员课题组在微尺度光热驱动领域取得了重要进展，相关研究成果以“Phototaxis flight of microdroplets in a laser”为题发表在Physical Review Letters上。该工作通过在微米液滴中构建高效光热转换表面并利用光热转换过程中产生的相变反应作用力，实现微米液滴在激光中的快速趋光运动，并观察到液滴正负趋光行为的转变。通过材料设计和理论建模，研究团队揭示了液滴在激光中趋光飞行的微观机理和控制因素，调控了液滴不同趋光行为的临界尺寸。该工作基于光热技术提出了一种微小液滴运动调控的新方法，展示了其在微小物质操纵领域的广阔应用前景。上海交通大学材料科学与工程学院博士生程为铮为论文第一作者，上海交通大学材料科学与工程学院邓涛教授、付本威副研究员为论文共同通讯作者，上海交通大学为论文唯一完成单位。
液滴-光相互作用广泛存在于各类科学研究和工程制造中，例如大气云层中水液滴会对阳光进行反射和散射、光刻机中锡液滴和激光反应产生极紫外光等。其中，基于液滴-光反应的相互作用力（例如光压力、表面张力、化学反应作用力等）的光操纵技术能实现微小液滴的运动控制，具有非接触式、高精度、高通量等特点，是生物细胞转移、胶体粒子捕获等领域发展的关键技术。在本项研究中，研究团队基于光热转换开发了一种新的光操纵技术：通过超声雾化氧化石墨烯（GO）纳米流体形成微米GO液滴；利用GO的低表面能，在悬浮液滴气液界面处自组装形成具有高效光热转换的GO表面（图1a）；在激光照射下，激光-GO液滴相互作用发生光聚焦、电离分解、光热转换等过程，产生的合作用力驱动液滴趋光飞行（图1b）；其中，GO壳层作为光热转换层将激光能量沉积在液滴表面，引发液滴表面的快速气液相变，产生巨大的蒸气反冲力是驱动液滴趋光运动的关键动力。
图1、激光-微米液滴相互作用产生驱动力：（a）激光-液滴作用示意图；（b）激光-液滴作用过程中的光吸收、电离分解、光热转换等效应共同驱动液滴趋光运动。
研究团队通过搭建激光-液滴作用可视化平台，对GO液滴在激光照射下的运动行为进行观测记录（图2a）。通过对GO液滴和去离子水（DI）液滴的趋光行为进行观察统计，发现当液滴不含光热转换层或者液滴直径大于3微米时，液滴均表现出负趋光行为（图2b上图及图2c蓝色部分）；当液滴同时满足直径小于3微米、含有GO光热层时，液滴在激光中发生正趋光飞行（图2b下图及图2c红色部分）。液滴趋光行为实验根据结果得出了GO液滴的正负趋光行为存在临界尺寸。
图2、激光中的微米液滴趋光飞行现象：（a）可视化实验装置示意图；（b）激光-GO液滴反应推动大GO液滴远离激光源（负趋光），牵引小GO液滴飞向激光源（正趋光）；（c）GO液滴和去离子水（DI）液滴的趋光行为统计。
研究团队通过构建光-热多物理场耦合模型，对激光-液滴相互作用的微观过程进行探索研究（图3a）。模型结果为，液滴-激光相互作用中GO光热转换层将激光能量转换为热量沉积在液滴表面（图3b），引发液滴表面相变并产生蒸气反冲动力；液滴对激光具有反射、折射等效应，激光穿过液滴时会在液滴表面产生光压力（图3c）；同时，液滴也会吸收一部分激光能量，沉积在液滴内部（图3d），诱发光致电离分解，产生等离子体膨胀压力。
研究团队通过对不一样的尺寸液滴-激光相互作用过程的模拟，定量分析了光压力、蒸气反冲力、等离子体膨胀压力对液滴运动的贡献（图3e）。根据结果得出，液滴尺寸较小时，蒸气反冲力占主导地位；液滴尺寸较大时，光压力占主导地位；不同液滴尺寸下，等离子体膨胀压力的贡献都较小。光压力、蒸气反冲力、等离子体膨胀压力在不同液滴上的作用求和结果为（图3f）：作用于DI液滴的合动量始终为负，表明DI液滴将在激光中一直背离激光源运动；GO液滴在临界尺寸（3微米）处前后，合动量的正负号发生改变，表示3微米处GO液滴的运动方向将发生转变。DI液滴相比于GO液滴缺少GO光热转换层，缺少表面能量沉积、光热转换过程和蒸气反冲推动，是导致DI液滴无法正趋光飞行的重要的因素。通过多物理场建模，研究团队探究了液滴-激光相互作用的微观过程，揭示了蒸气反冲在液滴正趋光运动中的重要性，证明了光热转换驱动液滴正趋光飞行的关键机制。模拟结果与实验观察、理论推测值一致，验证了模型的准确性，提供了液滴趋光飞行行为的预测手段。
图3、激光-液滴作用机制：（a）激光和3微米液滴作用的模型示意图；（b-d）液滴表面GO层的能量沉积（qs）、表面光压分布（Tn）、内部能量沉积（qv）；（e）不一样的尺寸液滴获取的光压动量（Pl），蒸气反冲动量（Pv），等离子体膨胀动量（Pp）；（f）DI液滴和GO液滴获取的总动量。其中，DI液滴的总动量不存在零点，GO液滴的总动量存在零点（3微米）。
基于上述光热转换的液滴正趋光飞行机制，团队通过调整外层材料吸光性、液体挥发性，对光热转化过程、液体蒸发过程进行强化，对作用于液滴的蒸气反冲力进行增强。实验结果为，GO-酒精体系中，酒精的强挥发性对相变过程进行增强，将液滴趋光转变临界尺寸提升至3.8微米；金纳米颗粒-水体系中，金纳米颗粒的强光热转换对表面沉积能量进行增强，将临界尺寸提升至3.3微米。研究团队在不同的材料体系中都观察到了液滴趋光行为的转变，证明了液滴趋光飞行现象在不一样的材料体系中的普遍性，也验证了利用光热转换实现液滴运动调控机制的普适性。
该项工作在现有光操纵研究基础上，提出了利用光热转换实现液滴运动操纵的新机制，形成了基于光热转化的液滴运动控制新方法（图4a），实现了微米液滴快速运动（ 10 mm/s）和方向调控（正趋光、负趋光）（图4b）。该技术可应用于不一样的材料体系，在生物细胞捕获、胶体粒子操纵等领域具有广泛的应用前景。
图4、基于激光-液滴相互作用的光操纵技术：（a）光热转换为操纵微米液滴运动提供新机制；（b）基于光热转换的光操纵技术为微米液滴的快速飞行提供动力。
该项工作获得了国家重点研发计划（2022YFA1203100）、国家自然科学基金委（52302104、51973109、51873105）、上海市教委创新项目（2019-01-07-00-02-E00069）的资助。该项工作还得到了上海交通大学氢科学中心、上海交通大学分析测试中心和上海交通大学致远创新研究中心的支持。