不可思议！科学家在肥皂膜上“激光雕刻”，被Nature亮点报道！

液膜在工业生产中十分常见，并在科学研究中被广泛研究。当液膜受到形状不对称或厚度对称的扰动时，扰动可以分别以反对称或对称泰勒波的形式传播。对于肥皂膜，由于表面张力会随表面活性剂浓度的变化，而肥皂膜的弹性源于表面张力依赖膜表面积的变化，因此理论上存在对称弹性波。然而，由于缺乏一种只刺激产生对称扰动而不触发反对称波的实验方法，目前对称弹性波的实验观测仍然难以实现。

在此背景下，清华大学徐海涛教授团队提出了一种聚焦激光加热方法来研究对称扰动下液膜的性质。由激光诱导的Marangoni效应引起的热毛细流动导致膜厚度的对称扰动，而不会引起膜的反对称扰动。因此，在具有低表面活性剂浓度（即具有明显弹性）的流动肥皂膜上，激光引起的膜厚度扰动通过对称弹性波传播。在具有高表面活性剂浓度（即极小的弹性）的流动肥皂膜上，激光诱导的膜厚度扰动保持不变，并与膜一起流动而不发生传播，仿佛在自由液膜上实现了“激光雕刻”。该工作以题为“Laser-induced thermocapillary flows on a flowing soap film”的论文发表在最新一期《 Physical Review Fluids》上，并被Nature以“Laser pulses engrave an unlikely surface: soap films”为题，作为研究亮点报道。

实验装置及原理

作者提出通过聚焦激光加热的方法，在流动的薄膜中引入非侵入性热刺激，在薄膜中产生对称扰动的同时，不会产生非对称扰动。为了通过实验证明这一想法，作者构建了一个流动的肥皂膜，该膜由重力驱动，并由两条尼龙线约束，形成二维的流动通道，如图1b所示。作者通过添加表面活性剂来改变液膜的表面张力。如图1c和d所示，波长532nm的激光束垂直聚焦在薄膜中的一点。由于肥皂膜吸收了激光辐射能量，加热点的局部温度比周围区域高出约10°C，因此，加热点表面张力较低。该表面张力差驱动Marangoni流动，导致加热点处的肥皂溶液部分被吸入周围的未加热薄膜区域。这种激光诱导的热毛细流动同时发生在肥皂膜的两个表面上，产生膜厚度减小的对称图案。

根据分析，由激光加热产生的斑点应该保留在膜上，并与膜一起流动，而不在周围传播。为了验证这一预测，作者通过干涉测量和纹影成像方法同时观察流动的肥皂膜。对于干涉测量法，如图1c所示，肥皂膜由低压钠灯发出的单色光照射。灯和高速相机被放置在肥皂膜的一侧，相对于膜的法线方向成相同的角度θ。干涉图像上的每个亮或暗条纹，由来自膜的两个液-气界面的反射光之间的干涉形成，对应于肥皂膜厚度的等厚线。纹影系统由一个白光LED、两个长焦距透镜、一个锋利的刀刃和一个高速相机组成，如图1d所示。纹影图像显示了平行光沿路径经过时产生的偏差，该偏差是由膜厚度或形状的变化引起。

图1. （a）液膜上的波形示意图。（b）重力驱动的流动肥皂膜装置示意图。（c）干涉成像的光学装置。（d）纹影成像的光学装置示意图和利用干涉成像拍摄的纹影图像。

激光加热在肥皂膜表面激发的图案

图2a展示了当激光器输出一系列脉冲时的干涉（左）和纹影（右）图像。每一个激光脉冲通过热Marangoni效应在肥皂膜上产生一个小坑。凹坑并没有刺激产生任何反对称波。实验中作者观察到一串小坑整齐地沿着肥皂膜向下游流动，就仿佛激光在自由液膜上“打印”或“雕刻”图案，这一现象验证了高浓度肥皂膜的弹性几乎为零。

此外，更复杂的图案也可以“刻”在流动的肥皂膜上。图2b展示了通过激光束以115 Hz水平振动而产生的正弦曲线。如图2c所示，流动的肥皂膜就像地震仪中的“纸带”，在膜表面记录激光焦点的运动。这种“激光雕刻”还能在肥皂膜上打印具有自身厚度变化的图案。图2d是在肥皂膜中插入圆棒后方的卡门涡街的干涉和纹影图像，其中有一系列由固定脉冲激光产生的点。这些点的瞬时位置形成了一根条纹线，标记了在早期通过固定点的流体，是一种非常常见的流动可视化方式。根据单个点的轨迹，可以获得流体的拉格朗日信息。这一现象也为在没有示踪粒子的复杂二维流动中进行流动可视化和拉格朗日研究提供了一种新技术。

图2. 激光加热在肥皂膜表面激发的图案。

不同表面活性剂浓度对图案的影响

为了产生对称弹性波，肥皂膜必须具有明显的弹性，这意味着表面活性剂浓度必须低于临界胶束浓度（CMC），这样膜表面张力就不会固定在与饱和表面活性剂相对应的恒定值。然而，在低浓度状态下，肥皂膜的表面张力更高。为了使表面张力更高的肥皂膜保持稳定，作者使用了较窄的流动通道。实验结果表明，对于所有不同重复频率的激光，激光诱导的膜厚度扰动不再保持不变，而是由对称弹性波传播。在这种液膜流动速度下，这些波前的包络线形成了一个从激光加热点开始的冲击波，其表观马赫角为α，即马赫锥的半角（图3）。马赫角的大小与激光脉冲频率无关。

图3. 在具有低浓度表面活性剂的流动肥皂膜上，脉冲激光加热激发的冲击波的纹影图像。

作者在低浓度条件下对不同表面活性剂浓度的肥皂沫进行了实验，进一步了解对称弹性波的性质。图4a展示了在相同流速和激光脉冲频率下，不同表面活性剂浓度时的纹影图像。这些由对称弹性波而形成的冲击波在性质上相同；从数量上讲，马赫角α随表面活性剂浓度的变化而变化，在c=0.057%时的马赫角α更大。

具有低表面活性剂浓度的肥皂膜具有一个独特特征：允许波速较快的波传播。图4b中的图像展示了在聚焦激光加热和圆棒插入的同时扰动下，表面活性剂浓度为c的肥皂膜的纹影成像。实验观察到两个不同马赫角的冲击波同时在薄膜上形成。如图4a所示，当具有相同表面活性剂浓度的肥皂膜单独受到激光加热刺激时，小于与圆棒插入相对应的马赫角。根据波速σ计算的表面张力如图4b中的品红色符号所示，这与直接测量的表面张力数据非常一致，这一证据证明马赫角为α的冲击波是由反对称泰勒波引起的。

图4. 表面活性剂浓度对流动肥皂膜性能的影响。

小结

该工作在不同表面活性剂浓度的流动肥皂膜上，通过激光诱导产生热毛细流动。这种激光加热方法的关键在于只刺激薄膜厚度中的对称扰动，而不触发反对称波。对于低浓度流动的肥皂膜，对称弹性波的观测填补了肥皂膜研究的空白，并在二维流动中给出了一种类似于空气动力学的新型冲击波。在高浓度条件下，提出了一种“激光雕刻”技术，该技术可用于在不传播的情况下在自由液膜上创建各种图案，并具有潜在的应用，例如，在没有示踪剂颗粒的二维流中进行拉格朗日研究。该激光加热方法将进一步应用于各种毛细流动的研究当中。

文章链接：
https://journals.aps.org/prfluids/abstract/10.1103/PhysRevFluids.9.L022001

来源：高分子科学前沿 编译，未经授权不得转载。

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