Gli ingegneri trasformano un raggio laser in un flusso di liquido

I laser sono una delle scoperte iconiche della scienza del 20° secolo. Producono fotoni coerenti in fasci stretti di energia specifica. Possono trasmettere dati, rilevare molecole e bruciare il metallo. Anche i fotoni che producono hanno uno slancio significativo.

E questo solleva una domanda interessante. È possibile trasferire questa quantità di moto per generare raggi di materia come un flusso di liquido? Non fino ad ora.

Jiming Bao dell'Università di Houston in Texas e alcuni amici affermano di aver scoperto un processo optofluidico completamente nuovo che consente di utilizzare un raggio laser per creare un flusso di liquido. La tecnica ha applicazioni diffuse in microfluidica, biochimica, microfabbricazione e qualsiasi processo che dipenda dalla tecnologia lab-on-chip.

Quello che Bao e compagni hanno scoperto è un modo per generare flussi di liquidi strettamente focalizzati all'interno di un fluido. Questa scoperta è una sorta di sorpresa.

La luce laser di solito non interagisce con l'acqua, tranne che all'interfaccia con un altro mezzo, come l'aria. I fotoni possono spingere contro tale interfaccia, sebbene il trasferimento di quantità di moto sia piccolo e certamente troppo debole per guidare il flusso del fluido.

Tuttavia, Bao e compagni hanno scoperto che potrebbero generare un flusso d'acqua all'interno di un volume d'acqua maggiore se contenesse nanoparticelle d'oro. Hanno puntato un laser verde pulsato attraverso la parete di vetro del contenitore e, dopo pochi minuti, hanno osservato una corrente di liquido che scorreva rapidamente lungo la direzione del raggio.

I flussi appaiono come analoghi liquidi dei raggi laser e si muovono nelle stesse direzioni dei raggi rifratti come se fossero guidati direttamente dai fotoni dei raggi laser, affermano Bao e co. Chiamiamo questo fenomeno streaming laser.

Questa è una sorta di sorpresa e le nanoparticelle sono fondamentali. Se l'acqua è pura, senza nanoparticelle aggiunte, il raggio laser attraversa senza ostacoli senza alcun flusso.

Bao e compagni devono lavorare sodo per determinare cosa sta succedendo. Si scopre che le nanoparticelle assorbono significativamente la luce verde, che è vicina alla frequenza di risonanza degli elettroni che contengono.

Ciò fa sì che le particelle si riscaldino e si raffreddino ad ogni impulso di luce, espandendosi e contraendosi nel processo. Che genera onde acustiche nell'acqua. È noto da tempo che questo tipo di ultrasuoni sposta il liquido in un processo chiamato streaming acustico.

Ma gli ultrasuoni di per sé non garantiscono il movimento liquido. Quindi deve succedere qualcos'altro. Bao e colleghi affermano che il riscaldamento e il raffreddamento delle nanoparticelle vicino alla parete del contenitore fa sì che si leghino al vetro. Nel tempo, le nanoparticelle si incrostano attorno al punto in cui il laser entra nel liquido e questo crea una sorta di nanocavità sul vetro.

La nanocavità è la chiave di questo fenomeno. Per una meravigliosa coincidenza, la cavità ha le dimensioni e la forma giuste per focalizzare gli ultrasuoni generati dalle nanoparticelle incrostate. In altre parole, la cavità diventa una camera di risonanza, un altoparlante, che genera un raggio di ultrasuoni. Bao e compagni affermano che il flusso di liquido è guidato da questo ultrasuono focalizzato e direzionale.

Questa è una scoperta affascinante che collega nanofotonica, microfluidica, acustica e scienza dei materiali. E ha implicazioni significative. La capacità di spostare i liquidi su scala microscopica è fondamentale per tutti i tipi di esperimenti lab-on-a-chip. È anche utile per la nanofabbricazione e persino per la propulsione laser.

Bao e compagni sono ottimisti riguardo al futuro. Lo streaming laser troverà applicazioni in dispositivi controllati o attivati ​​otticamente come microfluidica, propulsione laser, chirurgia e pulizia laser, trasporto di massa o miscelazione, solo per citarne alcuni, dicono.

Non vediamo l'ora di tracciarne i progressi.

Rif: arxiv.org/abs/1708.05852 : Streaming laser: trasformare un raggio laser in un flusso di liquido

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