マイクロバブルのオプトサーマル生成,トラップ,操作

Optothermal generation, trapping, and manipulation of microbubbles.

• J A Sarabia-Alonso
• J G Ortega-Mendoza
• J C Ramírez-San-Juan
• P Zaca-Morán
• J Ramírez-Ramírez
• A Padilla-Vivanco
• F M Muñoz-Pérez
• R Ramos-García

抄録

液体中の気泡を光学的に生成・操作する方法としては、CWレーザーによる温度勾配を利用した方法が一般的であるが、本研究では、この方法を用いてエタノール中にマイクロバブルを生成・操作する方法を提案する。本研究では、光熱力を利用してエタノール中にマイクロバブルを発生させ、その3次元的な操作を行う方法を提案する。これらの力は、マルチモード光ファイバの遠位端に光電着された銀ナノ粒子にナノ秒パルスレーザ（λ=532 nm）からの光吸収によって引き起こされる。各レーザーパルスから吸収された光は、熱が液体を通して拡散する前に、エタノール臨界点(約243℃)を超えて銀-エタノール界面を急速に加熱します。このため、液体は準安定状態になり、自発的な核生成により、光ファイバに取り付けられた蒸気気泡に変換されます。気泡は半球状に成長し、崩壊の最終段階でカウンタージェットを発生させます。このジェットが高温のナノ粒子に到達すると、すぐに気化してマイクロバブルが放出されます。このマイクロバブル発生メカニズムは、レーザーパルス（繰り返し周波数10kHz）ごとに発生し、マイクロバブルの流れが発生します。マイクロバブルは光ファイバから離れるにつれて速度が低下し、最終的には合体して大きな気泡となります。臨界サイズに達すると、大きな気泡はマランゴニ力によって光ファイバに引き寄せられ、マイクロバブルの流れの各気泡が連続的に供給されます。レーザーパルスによる光熱力のバランスが、メインバブルの3次元操作を駆動する。本論文では、このトラップ条件の完全な特性評価を行う。

The most common approach to optically generate and manipulate bubbles in liquids involves temperature gradients induced by CW lasers. In this work, we present a method to accomplish both the generation of microbubbles and their 3D manipulation in ethanol through optothermal forces. These forces are triggered by light absorption from a nanosecond pulsed laser (λ = 532 nm) at silver nanoparticles photodeposited at the distal end of a multimode optical fiber. Light absorbed from each laser pulse quickly heats up the silver-ethanol interface beyond the ethanol critical-point (∼ 243 °C) before the heat diffuses through the liquid. Therefore, the liquid achieves a metastable state and owing to spontaneous nucleation converted to a vapor bubble attached to the optical fiber. The bubble grows with semi-spherical shape producing a counterjet in the final stage of the collapse. This jet reaches the hot nanoparticles vaporizing almost immediately and ejecting a microbubble. This microbubble-generation mechanism takes place with every laser pulse (10 kHz repetition rate) leading to the generation of a microbubbles stream. The microbubbles' velocities decrease as they move away from the optical fiber and eventually coalesce forming a larger bubble. The larger bubble is attracted to the optical fiber by the Marangoni force once it reaches a critical size while being continuously fed with each bubble of the microbubbles stream. The balance of the optothermal forces owing to the laser-pulse drives the 3D manipulation of the main bubble. A complete characterization of the trapping conditions is provided in this paper.