?航空航天系鄧道盛/胡曼課題組揭示光熱氣泡的3D周期性軌道運動模式
氣泡在液體中的運動現象在日常生活和工業應用中頗為常見，且通常會產生有趣的動力學現象。例如，氣泡在水中上升的軌跡可以是直線、周期性的鋸齒形或螺旋運動，氣泡的加入會顯著改變湍流的動力學，局部氣體過飽和或兩種不相溶液體的氣體溶解度差異可促進氣泡的成核和形成。
近年來，由于外部刺激操控的水下氣泡在藥物輸送、光刻、熱管理、微組裝和微流體芯片等領域有廣泛應用，成為相關領域的研究熱點，其中，由激光與液體相互作用產生的光熱氣泡因其簡單性和可控性而備受關注。
近日，復旦大學航空航天系鄧道盛/胡曼課題組報道了光熱氣泡在正己烷中的三維（3D）周期性軌道運動現象，相關成果以“3D Periodic Orbiting of a Photothermal Bubble”為題發表于國際權威物理學期刊Physical Review Letters。
此前，團隊利用近紅外激光對液體介質的體相加熱作用，結合固壁面的高效熱傳導，分別實現了氣泡在純水介質中的一維（1D）垂直彈跳運動和乙醇中的二維（2D）振蕩運動模式。考慮到該體系中的熱氣泡運動源于光熱吸收、熱傳遞、熱馬蘭戈尼界面流和浮力流、駐點流等體相流動之間的復雜耦合，因此，深入探究光熱氣泡在各種液體中量身定制的動力學行為，揭示氣泡的運動模式與液體的熱力學和流體力學特性之間的內在關聯對于理解復雜流動機理和拓展相關氣泡技術應用十分必要。
在最新研究成果中，團隊采用的實驗體系是近紅外激光透過高導熱的藍寶石玻片體加熱正己烷液體，通過兩個正交的高速相機觀測到了正己烷中光熱氣泡的3D軌道運動模式（如圖1所示）。通過理論建模和數值模擬，揭示了正己烷中氣泡的3D軌道運動機理是雙向光熱Marangoni流和駐點流（熱浮力流碰撞固壁面形成）協同作用的結果（如圖2所示）。
圖1. 正己烷液體中光熱氣泡的3D軌道運動
圖2. (a)光熱氣泡運動的物理模型；模擬的(b)溫度場和流場分布；(c)逆溫層厚度；(d)沿z方向的力比值ξz，表明正己烷和水中的1D彈跳模式；(e)沿x方向的力比值ξx，表明正己烷和乙醇中的2D振蕩模式
進一步，團隊深入討論了液體性質對氣泡運動模式的影響，建立了氣泡運動模式依賴光場強度、液體性質、體相駐點流、界面Marangoni流的相圖，提出了描述光熱氣泡運動模式的一般性判據Σ= ReSc/Ma，用于調控不同液體中氣泡的周期性運動模式（如圖3所示）。其中Re為Reynolds數表征體相流（熱浮力流）的貢獻，Ma為Marangoni數表征界面流（熱馬蘭戈尼流）的貢獻，Sc為Schmidt數表征液體性質（粘度和擴散系數）的影響。
圖3. 不同液體中光熱氣泡運動模式的相圖
這項研究不僅揭示了光熱氣泡在不同液體中的復雜物理化學流體動力學，還為氣泡介導技術的發展提供了新的視角，例如在微流體和微操縱領域，可利用氣泡的多維度多模式移動操控提高效率。
復旦大學航空航天系青年副研究員胡曼為該論文第一作者，鄧道盛研究員和博士畢業生王峰（現清華大學能動系助理研究員）是論文的共同通訊作者，其他合作者包括復旦大學航空航天系科研助理霍鵬，博士生李雨琪、陳力和吳文娜。該項工作得到了上海市和復旦大學的支持。
全文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.134.104004
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