光驱动微流控运动一直是微流控领域的热点问题。由于微流体具有“体积小、速度慢”的特点，因而雷诺数较低，粘性力和表面张力代替惯性力起主导作用。一般来说，流体界面处（如气/液界面）的温度梯度会引起表面张力梯度，从而产生热马兰戈尼效应（EMT）。
光作为最重要的能量形式之一，具有非接触、易调节波长和功率、时空分辨率好等优点。利用光作为驱动力，可以在具有光吸收特性的流体-流体界面处产生温度梯度，进而诱导Marangoni对流。因此，通过光致马兰戈尼效应，可以进一步实现特定的流体功能，这在微尺度传质或传热领域具有重要意义。
研究表明，吸光液体的非均匀加热可以引起马兰戈尼对流，但这种对流往往对光能利用率低，难以引起快速的内部流动。此外，对于不同折射率的流体界面分离处的流动，会产生光辐射压力效应，但往往依赖于强光束能量输入，而产生强激光束需要昂贵且复杂的设备。鉴于此，我们考虑添加纳米粒子的流体液滴，由于其优异的光吸收特性，可以由高斯光驱动，从而能够有效利用光能。
首先，我们对包含有Fe3O4纳米颗粒的流体液滴进行光驱动实验，并借助粒子图像测速和红外测温技术对液滴内部的流动分布和上界面的温度分布进行可视化。在液滴底部，粒子从边缘快速聚集到中心，在液滴顶部，粒子从中心快速移动到边缘。由于流动的连续性，液滴内的流体驱动颗粒进行三维圆形涡旋运动。此外，由于光强在水平方向上呈高斯分布，靠近光轴中心的颗粒对光的吸收热量较高，并迅速传递到液滴表面，导致光轴附近液滴上表面温度较高，远离光轴的位置的温度较低。因此，形成了由内向外的温度梯度。由于液滴的表面张力随着温度的升高而降低，在液滴的上表面产生由外向内的表面张力梯度，导致液滴内部形成对称的涡旋运动。
图1 Fe3O4颗粒在不同高度的水平速度分布：（a）在液滴底部和（b）在液滴顶部.（c）液滴顶部的温度分布
同时，为系统分析由高斯光引起的液滴内部的涡旋运动，采用有限元方法对流场和温度场进行了定量研究。结果表明，模拟数据与实验数据吻合较好，量级一致，因而数值模型能较好地反映实验特征。
图2 （a）液滴表面的最高温度和（b）液滴底部的水平速度的实验值和模拟值的比较
进一步地，同时给出了液滴表面平均温度梯度和液滴内部平均流速在不同时间的变化（见图3(a)和4(b)）。两条曲线的变化趋势是一致的。这些结果进一步表明，温度变化引起的表面张力梯度是液滴内涡旋运动的重要驱动力。
图3 液滴表面平均温度梯度（a）和液滴内部平均流速（b）在不同时间的变化
图4 液滴内部的温度云图（a）和速度云图（b）
最后，进一步分析液滴高度和高斯光分布形式的对涡旋运动的影响。结果表明，高斯光在诱导液位较低的液滴时具有更好的驱动效果。光强分布越集中，液滴表面温度梯度和表面张力梯度越大，涡旋运动效果越好。
图5 不同液位高度下液滴上界面的温度梯度变化和(b) 速度分布
图6 不同剖面的高斯光驱动的涡旋运动引起的速度和温度变化：（a）k1保持不变，而k2增加，（b）k1·k2保持不变
目前，论文已在线发表在《International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow》上，论文第一作者为2020级博士研究生刘哲，孙博华院士和崔海航副教授为共同通讯作者。
文章链接: Liu, Z., Yu, Z., Wang, L., Chen, L., Cui, H. and Sun, B. (2022), "Flow mechanism of Gaussian light-induced vortex motion inside a nanofluid droplet", International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow. https://doi.org/10.1108/HFF-05-2022-0269
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