Near-infrared-laser-navigated dancing bubble within water via a thermally conductive interface

气泡 水下 微流控 马朗戈尼效应 激光器 千分尺 材料科学 平面的 导电体 纳米技术 光学 机械 物理 计算机科学 地质学 对流 海洋学 计算机图形学(图像) 复合材料
作者
Man Hu,Feng Wang,Li Chen,Peng Huo,Yuqi Li,Xi Gu,Kai Leong Chong,Daosheng Deng
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:13 (1) 被引量:17
标识
DOI:10.1038/s41467-022-33424-4
摘要

Precise manipulation of droplets or bubbles hosts a broad range of applications for microfluidic devices, drug delivery, and soft robotics. Generally the existing approaches via passively designing structured surfaces or actively applying external stimuli, inherently confine their motions within the planar or curved geometry at a slow speed. Consequently the realization of 3D manipulation, such as of the underwater bubbles, remains challenging. Here, during the near-infrared-laser impacting on water, by simply introducing a thermally conductive interface, we unexpectedly observe a spontaneously bouncing bubble with hundreds-of-micrometer diameter at tens-of-Hertz frequency. The unique formation of temperature inversion layer in our system generates the depth-dependent thermal Marangoni force responsible for the bouncing behavior. Both the scaling analysis and numerical simulation agree with observations quantitatively. Furthermore, by controlling the navigation speed of the laser beam, the bubble not only shows excellent steerability with velocity up to 40 mm/s, but also exhibits distinctive behaviors from bouncing to dancing within water. We demonstrate the potential applications by steering the bubble within water to specifically interact with tiny objects, shedding light on the fabrication of bubble-based compositions in materials science and contamination removal in water treatment.
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