Ingenieros convierten un rayo láser en una corriente de líquido

Los láseres son uno de los avances icónicos de la ciencia del siglo XX. Producen fotones coherentes en haces estrechos de energía específica. Pueden transmitir datos, detectar moléculas y quemar metales. Los fotones que producen también tienen un impulso significativo.

Y eso plantea una pregunta interesante. ¿Es posible transferir este impulso para generar rayos de materia como un flujo de líquido? No hasta ahora.

Jiming Bao de la Universidad de Houston en Texas y algunos amigos dicen que han descubierto un proceso de optofluidos completamente nuevo que hace posible usar un rayo láser para crear una corriente de líquido. La técnica tiene amplias aplicaciones en microfluídica, bioquímica, microfabricación y cualquier proceso que dependa de la tecnología lab-on-chip.

Lo que Bao y compañía han descubierto es una forma de generar flujos de líquido concentrados dentro de un fluido. Este descubrimiento es una especie de sorpresa.

La luz láser no suele interactuar con el agua, excepto en una interfaz con otro medio, como el aire. Los fotones pueden empujar contra tal interfaz, aunque la transferencia de impulso es pequeña y ciertamente demasiado débil para impulsar el flujo de fluido.

Sin embargo, Bao y compañía descubrieron que podían generar una corriente de agua dentro de un volumen mayor de agua si contenía nanopartículas de oro. Hicieron brillar un láser verde pulsado a través de la pared de vidrio del contenedor y, después de unos minutos, observaron una corriente de líquido que fluía rápidamente en la dirección del haz.

Los flujos aparecen como análogos líquidos de los rayos láser y se mueven en las mismas direcciones de los rayos refractados como si fueran impulsados ​​directamente por fotones de rayos láser, dicen Bao y compañía. A este fenómeno lo llamamos transmisión láser.

Esto es algo sorprendente, y las nanopartículas son clave. Si el agua es pura, sin nanopartículas añadidas, el rayo láser pasa sin obstáculos y sin ningún flujo.

Bao y compañía tienen que trabajar duro para determinar qué está pasando. Resulta que las nanopartículas absorben significativamente la luz verde, que está cerca de la frecuencia de resonancia de los electrones que contienen.

Esto hace que las partículas se calienten y enfríen con cada pulso de luz, expandiéndose y contrayéndose en el proceso. Eso genera ondas acústicas en el agua. Hace tiempo que se sabe que este tipo de ultrasonido mueve líquido en un proceso llamado transmisión acústica.

Pero el ultrasonido por sí solo no garantiza el movimiento del líquido. Así que algo más debe estar pasando. Bao y compañía dicen que el calentamiento y enfriamiento de las nanopartículas cerca de la pared del recipiente hace que se unan al vidrio. Con el tiempo, las nanopartículas se incrustan alrededor del punto donde el láser ingresa al líquido y esto crea una especie de nanocavidad en el vidrio.

La nanocavidad es la clave de este fenómeno. Por una maravillosa coincidencia, la cavidad tiene el tamaño y la forma adecuados para enfocar el ultrasonido generado por las nanopartículas incrustadas. En otras palabras, la cavidad se convierte en una cámara resonante, un altavoz, que genera un haz de ultrasonido. Bao y compañía dicen que la corriente de líquido es impulsada por este ultrasonido direccional enfocado.

Es un descubrimiento fascinante que vincula la nanofotónica, la microfluídica, la acústica y la ciencia de los materiales. Y tiene implicaciones significativas. La capacidad de mover líquidos a escala microscópica es crucial para todo tipo de experimentos de laboratorio en un chip. También es útil para la nanofabricación e incluso para la propulsión por láser.

Bao y compañía son optimistas sobre el futuro. La transmisión láser encontrará aplicaciones en dispositivos controlados o activados ópticamente, como microfluidos, propulsión láser, cirugía y limpieza láser, transporte masivo o mezcla, por nombrar solo algunos, dicen.

Estaremos atentos a trazar su progreso.

Ref: arxiv.org/abs/1708.05852 : Transmisión de láser: convertir un rayo láser en un flujo de líquido

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