航空航天系邓道盛/胡曼课题组揭示光热气泡的3D周期性轨道运动模式
气泡在液体中的运动现象在日常生活和工业应用中颇为常见，且通常会产生有趣的动力学现象。例如，气泡在水中上升的轨迹可以是直线、周期性的锯齿形或螺旋运动，气泡的加入会显著改变湍流的动力学，局部气体过饱和或两种不相溶液体的气体溶解度差异可促进气泡的成核和形成。
近年来，由于外部刺激操控的水下气泡在药物输送、光刻、热管理、微组装和微流体芯片等领域有广泛应用，成为相关领域的研究热点，其中，由激光与液体相互作用产生的光热气泡因其简单性和可控性而备受关注。
近日，复旦大学航空航天系邓道盛/胡曼课题组报道了光热气泡在正己烷中的三维（3D）周期性轨道运动现象，相关成果以“3D Periodic Orbiting of a Photothermal Bubble”为题发表于国际权威物理学期刊Physical Review Letters。
此前，团队利用近红外激光对液体介质的体相加热作用，结合固壁面的高效热传导，分别实现了气泡在纯水介质中的一维（1D）垂直弹跳运动和乙醇中的二维（2D）振荡运动模式。考虑到该体系中的热气泡运动源于光热吸收、热传递、热马兰戈尼界面流和浮力流、驻点流等体相流动之间的复杂耦合，因此，深入探究光热气泡在各种液体中量身定制的动力学行为，揭示气泡的运动模式与液体的热力学和流体力学特性之间的内在关联对于理解复杂流动机理和拓展相关气泡技术应用十分必要。
在最新研究成果中，团队采用的实验体系是近红外激光透过高导热的蓝宝石玻片体加热正己烷液体，通过两个正交的高速相机观测到了正己烷中光热气泡的3D轨道运动模式（如图1所示）。通过理论建模和数值模拟，揭示了正己烷中气泡的3D轨道运动机理是双向光热Marangoni流和驻点流（热浮力流碰撞固壁面形成）协同作用的结果（如图2所示）。
图1. 正己烷液体中光热气泡的3D轨道运动
图2. (a)光热气泡运动的物理模型；模拟的(b)温度场和流场分布；(c)逆温层厚度；(d)沿z方向的力比值ξz，表明正己烷和水中的1D弹跳模式；(e)沿x方向的力比值ξx，表明正己烷和乙醇中的2D振荡模式
进一步，团队深入讨论了液体性质对气泡运动模式的影响，建立了气泡运动模式依赖光场强度、液体性质、体相驻点流、界面Marangoni流的相图，提出了描述光热气泡运动模式的一般性判据Σ= ReSc/Ma，用于调控不同液体中气泡的周期性运动模式（如图3所示）。其中Re为Reynolds数表征体相流（热浮力流）的贡献，Ma为Marangoni数表征界面流（热马兰戈尼流）的贡献，Sc为Schmidt数表征液体性质（粘度和扩散系数）的影响。
图3. 不同液体中光热气泡运动模式的相图
这项研究不仅揭示了光热气泡在不同液体中的复杂物理化学流体动力学，还为气泡介导技术的发展提供了新的视角，例如在微流体和微操纵领域，可利用气泡的多维度多模式移动操控提高效率。
复旦大学航空航天系青年副研究员胡曼为该论文第一作者，邓道盛研究员和博士毕业生王峰（现清华大学能动系助理研究员）是论文的共同通讯作者，其他合作者包括复旦大学航空航天系科研助理霍鹏，博士生李雨琪、陈力和吴文娜。该项工作得到了上海市和复旦大学的支持。
全文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.134.104004
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