湖南大学谢柑华教授、楚宗霖教授AM：光驱液滴实现集体振荡与集群

在自然界和材料研究中，液滴在外界刺激下所表现出的复杂行为一直吸引着科学家们的深入探索。从生物系统中的自组织图案到液滴群体的协同运动，研究人员已通过光、磁场等多种手段实现对液滴运动的调控。然而，液滴在光照下表现出的耦合、集体振荡行为仍鲜有研究，尤其是在不依赖预先设计的复杂磁场或特定磁性液滴的情况下，实现多液滴的协同运动仍是一个挑战。

近日，湖南大学谢柑华教授、楚宗霖教授和劳伦斯伯克利国家实验室Thomas P. Russell教授揭示了一种基于光热诱导热毛细效应的金纳米粒子液滴振荡与集体运动行为。该研究通过实验与模拟相结合，阐明了液滴在油-油界面受激光照射时发生的弹跳与集群现象。其机制在于：金纳米粒子将光能转化为热能，产生不对称热梯度，从而驱动热毛细流动与对流力，这些力与重力、浮力相互竞争，促使液滴弹跳，并引导周围液滴向照射区域聚集，形成集群。相关论文以“Oscillatory and Collective Dynamics of Gold-Nanoparticle-Laden Droplets Driven by Photothermal-Induced Thermocapillarity”为题，发表在

Advanced Materials

研究团队在一个装有氯仿与硅油的容器中，将含有羧基功能化金纳米粒子的水滴滴置于油-油界面。在405纳米激光垂直照射下，液滴表现出类似“蹦床”式的往复弹跳行为。随着光照持续，液滴不断重复上升与回落的过程。实验还发现，弹跳高度随激光强度、金纳米粒子浓度增加而升高，但随液滴体积增大而降低。当硅油层厚度减小时，液滴运动更为剧烈。

图1：光驱动液滴弹跳 a) 实验装置示意图。一个由AuNP-POSS纳米粒子表面活性剂稳定的水滴滴置于两种油溶液的界面上。在激光照射下，液滴以类似蹦床的方式弹跳。为简化示意图，未显示AuNPs和POSS。 b) 在激光照射下，一个2微升水滴滴在一个弹跳周期内的连续侧视快照。比例尺为1毫米。 c) 在连续光照下，液滴的弹跳行为重复多个周期。 d) 液滴在不同光照强度（0.375至2.125 W）下的最大弹跳高度。硅油层厚度为4.6毫米，AuNP浓度为18 nM，液滴体积为2微升（pH 4.5）。 e) 液滴在不同AuNP浓度（0.6至18 nM）下的最大弹跳高度。硅油层厚度为3.6毫米，光照强度为1.5 W，液滴体积为2微升（pH 4.5）。 f) 液滴在不同体积（2至5微升）下的最大弹跳高度。硅油层厚度为3.6毫米，光照强度为1.5 W，AuNP浓度为18 nM（pH 4.5）。容器尺寸：12.5毫米×45毫米×12.5毫米；工作区域：10毫米×10毫米。

当多个液滴共存于界面时，照射液滴的弹跳行为会引发周围未照射液滴的同步水平移动。在弹跳上升阶段，邻近液滴向中心靠拢；下降时虽略有回退，但整体表现为逐步靠近。这种“前进多于后退”的不对称运动最终导致所有液滴聚集在一起。实验进一步表明，该聚集行为具有可逆性：关闭激光后，液簇在约15秒内自发分散；再次照射则重新聚集，该过程可重复多次。

图2：光驱动液滴的耦合运动 a) 在激光照射下，2微升水滴滴进行耦合运动的连续侧视快照。受照射液滴弹跳，同时未照射液滴（聚集液滴）水平向照射液滴移动。比例尺为1毫米。 b) 受照射液滴的弹跳高度（Δh）随时间变化。 c) 左侧聚集液滴的水平质心位置（Δx）随时间变化。

通过粒子图像测速技术，研究人员观察到液滴上升时周围出现明显的向上流场，强度显著高于下降时的向下流场。这种流动不对称性是导致邻近液滴向照射液滴“漂移”并形成集群的关键。数值模拟进一步揭示，液滴在分层介质中受热后产生热对流，向上热毛细力与浮力共同克服重力，推动液滴上升；而随着液滴进入氯仿浓度较低的上层，浮力减弱，液滴回落，形成振荡循环。

图3：激光驱动的液滴耦合振荡行为 a) 从侧视角度观察液滴在光照形成簇前后的图像。 b) 在光驱动聚集过程中，弹跳液滴垂直质心位置与聚集液滴水平质心位置的距离随时间变化。 c) 从俯视角度观察弹跳液滴与聚集液滴在光照开启与关闭下的组装-解散行为。 d) 光照关闭后，弹跳液滴的Δh随时间演变，呈现阻尼振荡行为。 e) 光照关闭后，聚集液滴的Δx随时间演变，呈现阻尼振荡行为。比例尺为1毫米。

研究还验证了该现象对纳米粒子类型的依赖性：只有具有光热转换能力的金纳米粒子或磁性纳米粒子才能驱动此类运动，而二氧化硅纳米粒子或无纳米粒子的体系则无法实现。热成像结果也表明，液滴只有在达到一定温度后才会开始弹跳，进一步确认了光热转换在机制中的核心作用。

图4：通过实验与数值模拟解释光驱动液滴耦合振荡行为的机制 a,b) 2微升水滴滴在光驱动同步耦合运动的上升（上行）与下降（中行）过程中的负片图像； c,d) 粒子图像测速测量显示，液滴上升期间的向上流场强度显著高于下降期间的向下流场。橙色弯曲箭头表示流动方向。 e,f) 模拟结果（加热开始后0.02秒），分别显示液滴在受激光从上方加热后弹跳前（e）与下沉前（f）系统中的对流情况（侧视图）。颜色代表温度。灰度梯度表示硅油中氯仿的不同浓度。白色箭头表示硅油/氯仿的流动方向。蓝色箭头表示作用在液滴上的净力。所有模拟中激光功率为2.5 W。比例尺为1毫米。

这项研究不仅揭示了液滴在光驱动下的耦合振荡与集群行为的内在机制，还为微流控操控、软体机器人以及活性物质系统的自组织研究提供了新思路。通过单一光源实现对多液滴的集体调控，展现出光热流动调控在微尺度操作中的高效性与可扩展性，未来有望在智能液滴系统与动态材料组装中发挥重要作用。

来源：高分子科学前沿

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