《Optics & Laser Technology》：Optothermal control of microbubble clusters near the water–air interface via the dual Marangoni convection
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•我们提出了一种策略，利用激光加热的金膜产生的光热马兰戈尼对流，在水-空气界面实现气泡簇的二维光学操控。•我们实验性地证明了气泡簇的直径、位置和形态的全光控制。•实验和模拟验证了稳定微气泡定位是由于气泡表面和水-空气界面的马兰戈尼对流竞争作用的结果。•在低温升高的情况下，微气泡在
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我们提出了一种策略，利用激光加热的金膜产生的光热马兰戈尼对流，在水-空气界面实现气泡簇的二维光学操控。
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我们实验性地证明了气泡簇的直径、位置和形态的全光控制。
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实验和模拟验证了稳定微气泡定位是由于气泡表面和水-空气界面的马兰戈尼对流竞争作用的结果。
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在低温升高的情况下，微气泡在加热点附近生长和聚集。这种方法在物质运输和靶向输送应用中显示出前景。
引言
由于其可调的界面特性、低侵入性和生物相容性，微气泡在药物输送 [1]、光学组装和分选 [2]、微机器人技术 [4] [5] [6] 以及生物医学 [7] 等领域得到广泛应用。在这些应用中，对微气泡的精确空间操控尤为重要。与声学 [8] 和光学 [9] 操控技术相比，光热操控结合了非接触式光学控制与强烈热诱导的流体动力学的优势。光学镊子通过光梯度力提供高空间精度，但通常需要较高的光强度，并且主要适用于单个目标的操控。声学驱动力技术能够在相对较大的空间尺度上进行无接触操控；然而，它们通常需要额外的声学换能器和外部驱动系统。相比之下，光热操控利用热诱导的流体运动来实现长距离运输和集体组装，且配置简单。这些特点使得光热方法特别适合于多个微气泡的操控和集体气泡动态 [10] 的研究。
光热操控的原理是利用激光加热吸收介质来产生局部温度场，进而诱导气泡表面的马兰戈尼流动以操控气泡。基于这一原理，已有许多研究报告实现了各种形式的单个气泡操控，包括三维捕获 [11]、振荡 [12] [13]、定向推进 [14] 和周期性轨道运动 [15]。然而，用单束激光操控多个气泡仍然具有挑战性。O. V. Angelsky 等人提出利用激光加热吸收颗粒悬浮液来产生多个气泡，这些气泡在马兰戈尼效应的作用下在激光照射区域内定位并聚集 [16] [17]。然而，他们的研究未能实现对聚集气泡的连续位置控制，且激光斑点的有限尺寸限制了气泡聚集的空间范围。现有的气泡操控研究通常需要对吸收介质进行高温加热以产生气泡，这可能限制了其在药物输送和生物医学领域中的应用。
先前的研究表明，光热激发可以诱导热毛细流动，从而实现微尺度气泡的长距离运输和集体组装。特别是，使用多个热激发源的系统可以产生相互作用的温度场和重叠的马兰戈尼流动，通过流场耦合增强集体运输和自组织 [18] [19] [20] [21]。这些研究强调了热毛细相互作用在决定组装结构的稳定性和形态中的重要作用。然而，大多数方法依赖于多个加热点或外部施加的热图案。在低温升高条件下，利用单一光激发源稳定组装微气泡簇仍然具有挑战性。特别是，控制低温度升高条件下气泡簇稳定性和可控性的机制尚未完全理解。
最近，利用水-空气界面处光热刺激产生的温度梯度诱导的马兰戈尼对流已被用于实现大规模颗粒的聚集和操控 [22] [23]。由于即使低温度梯度也能诱导高速、大范围的马兰戈尼对流，这种方法能够将核化的微颗粒收集到远超光力作用范围的区域，并且响应速度很快。此外，快速流场已被证明可以显著降低气泡生长所需的热依赖性 [17] [24]。因此，水-空气界面处诱导的马兰戈尼对流在低温升高条件下操控多个气泡具有前景。
在这里，我们展示了在水-空气界面附近、低温升高条件下（ΔT < 5 K）对微气泡簇进行二维光热操控的情况。水-空气界面的低温梯度是由金膜基底的激光加热产生的。水-空气界面产生的快速马兰戈尼对流促进了加热点附近的气泡生长和聚集。实验验证了通过调整激光功率和位置可以分别控制气泡簇的形态和位置。此外，还进行了流场和温度场的有限元模拟，以分析单个气泡在稳定聚集状态下的力学条件。我们还提供了关于激光功率和液层厚度对微气泡簇特征参数影响的定量数据，包括最内层气泡的半径、最内层气泡到加热中心的距离以及气泡簇的半径。
章节片段
实验方法
我们的光学装置基于一个倒置的通用校正显微镜，如图 1(a) 所示。实验使用的是一台 1064 nm 的连续激光器（Max-ray Photonics，合肥，中国，FLH-1064–5，TEM00，cw），光束腰径为 3 mm。激光束通过扩束器扩展后匹配物镜的瞳孔（6 mm）。经过折射后，激光束通过显微镜物镜（10×，NA = 0.25，大恒光学，中国）聚焦。显微镜图像由 CMOS 相机记录。
微气泡的生成和组装
实验中，气泡簇的形成是一个动态过程，如图 2(a) 所示（见可视化 1）。液体的高度为 160 μm，激光功率为 230 mW。红色 “+” 标记了加热中心。标记气泡的半径及其与加热中心的距离随时间的变化分别在图 2(a) 和 2(b) 中展示。由于光热效应，激光照射金膜表面会产生局部温度场，这
结论
总结来说，我们提出了一种策略，在低温升高条件下利用热马兰戈尼流场在水-空气界面聚集和操控多个微气泡。温度梯度是通过样品池内镀金的基底进行激光加热产生的。实验表明，经过几十秒的激光照射后，形成了以加热中心为中心、半径为几百微米的气泡簇。
作者贡献声明
钟敏成：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，方法学，研究，数据管理。张楠青：研究，数据管理。李晨旭：研究。杨磊：研究。于盼盼：研究，资金争取。邵梦：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，方法学，研究，资金争取。孟春：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，监督，方法学，研究，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
中国国家自然科学基金（资助编号：12204456, 6250031578）和 安徽省自然科学基金（资助编号：2208085QA18, 2508085QH335, 2408085ME145）的支持。
钟敏成|张楠青|李晨旭|杨磊|于盼盼|邵梦|孟春
