CN107805488A - 一种基于光热效应的气泡可控驱动装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光热效应的气泡可控驱动装置和方法，所述的驱动方法包括以下步骤：(1)采用具有高效电磁波吸收特性的光热转换材料置于液体界面；(2)再对光热转换材料施加入射电磁波，使得光热转换材料瞬时局部高温并气化产生气泡，通过气泡炸裂喷射产生驱动光热转换材料移动的推动力，使得光热转换材料在液体表面运动；(3)运动过程中，改变入射电磁波的照射在光热转换材料的位置，控制光热转换材料在液体表面沿设定方向移动。与现有技术相比，本发明实现了基于光热效应的气泡可控驱动，实现了材料吸收外界光能转换为自身动能的过程等。

Description

一种基于光热效应的气泡可控驱动装置和方法

技术领域

本发明涉及一种功能材料的驱动新方法，尤其是涉及一种基于光热效应的气泡可控驱动装置和方法。

背景技术

利用液体蒸发产生蒸汽从而推动物体运动一直是工业获取动力的主要方式之一，然而由于其自身的特性使得能量转化效率不高。一方面，在现有的蒸汽驱动方式中，主要是通过蒸发产生的蒸汽推动蒸汽机的运转实现物体的运动后者推动汽轮机运动产生电能，依靠电能驱动机械运动实现驱动。在这些转化过程中，大量能量耗散，利用效率低下。另外一方面，基于光热效应的蒸发产生的蒸汽大多消散于空气中，难以收集，限制了蒸汽的其他应用。本发明基于现有蒸汽驱动的缺陷提出了一种新型的无污染的基于光热效应的气泡可控驱动方式。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于光热效应的气泡可控驱动装置和方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于光热效应的气泡可控驱动装置，包括具有高效电磁波吸收特性并置于液体界面上的光热转换材料。

优选的，所述的具有高效电磁波吸收特性的光热转换材料选自有机材料、无机材料或复合材料，其中，无机材料选用等离子纳米金属颗粒、碳材料或硅材料，有机材料选用染料，复合材料为无机-无机复合材料、无机-有机复合材料或有机-有机复合材料。

优选的，所述的具有高效电磁波吸收特性的光热转换材料还可以采用由衬底材料和具有高效电磁波吸收特性材料组成的双层膜结构。

优选的，所述的光热转换材料置于液体界面的方式为：使光热转换材料密度小于所用液体，或在光热转换材料下方采用低于液体密度的轻质材料托举。

优选的，所述的液体为水、水溶液、有机液体或含有表面活性剂的混合液体。产生的推动力由气泡炸裂、气泡喷射或蒸汽喷射提供。其中气泡可以是纯溶液汽化产生或溶液中溶质如表面活性剂协助产生。

优选的，所述的光热转换材料为圆形、方形、三角形、燕尾型或其组合等，也可以是其他多边形或各种形状的组合体。其形状不限于二维，也包括一维和三维的形状和结构。

一种基于光热效应的气泡可控驱动方法，包括以下步骤：

(1)采用具有高效电磁波吸收特性的光热转换材料置于液体界面；

(2)再对光热转换材料施加入射电磁波，使得光热转换材料瞬时局部高温并气化产生气泡，通过气泡炸裂喷射产生驱动光热转换材料移动的推动力，使得光热转换材料在液体表面运动；

(3)运动过程中，改变入射电磁波的照射在光热转换材料的位置，控制光热转换材料在液体表面沿设定方向移动。

优选的，改变入射电磁波照射在光热转换材料上的位置的方式包括改变入射电磁波源方向、改变光热转换材料方向或通过配件改变入射电磁波传输方向。

优选的，所述的入射电磁波包括激光波、紫外光波、可见光波、红外光波或微波，其被光热转换材料的吸收方式为本征吸收与等离激元共振效应吸收中的一种或两种。

优选的，所述的液体与光热转换材料的性质要求满足：光热转换材料吸收入射电磁波后能转换成达到或超过液体沸点的热能，从而使得在光热转换材料与液体的界面处产生气泡。

优选的，在汽化过程中，保证光热转换材料形状性质不发生改变(如燃烧等)，且液体能不断补充。

本发明的工作原理是：通过使用具有高效电磁波吸收特性的材料置于液体界面，入射电磁波被材料吸收产生瞬时局部高温将液体汽化产生气泡，气泡喷射产生推动力从而控制物体在液体表面运动。将具有高效电磁波吸收特性的材料设计成特定形状，并在运动过程中通过改变入射电磁波照射材料位置，从而可控的获得特定的推动力方向，进而控制物体在液体表面的运动，如图4和图5所示。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)通过使用高效的电磁波吸收材料在液体表面光热转换产生局部高温，造成局部液体汽化产生气泡，实现了液体的高效蒸发和积累，减少了蒸汽在蒸发过程中的逸散，可以充分转化为动能。同时由于周边液体和高效电磁波吸收材料的充分接触，保证了液体的持续供给，从而保证运动的持续进行。同时由于电磁波照射位置容易控制，可以产生特定方向的气泡，进而控制气泡推动方向。在这个过程中，使用光源作为驱动力，不会造成环境污染，有利于环保。因此是一种新型的无污染的驱动方式。

(2)本发明使用本征吸收或等离激元共振效应吸收光能并直接转换为热能，提高了光热转化效率。

(3)本发明采用界面蒸发方式，有效集中所产生的热量，减少了热量损失，热量利用效率大幅度提高。

(4)本发明使用光能作为能量来源，清洁无污染，具有节能减排的作用。

(5)本发明不受液体表面张力，粘度和其他物理性能的影响，只要输入能量足够产生蒸汽气泡即可推动，具有广泛的应用范围。

(6)本发明不仅可以实现自身的运动，也可以负载或推动其他物体，实现运输其他物体的作用。

(7)本发明应用可扩展到更大的适用范围，即在液体表面可控驱动的同时可以应用于重金属污染物还原，有机物污染物降解，物体运输和药物定点释放等。特别的，本方法为物体在液体表面可控驱动开辟了新的方法。

附图说明

图1为具有高效电磁波吸收特性的光热转换材料的位置偏移图；

图2为具有高效电磁波吸收特性的光热转换材料的微观结构的扫描电镜照片；

图3为本发明的驱动装置在乙醇表面的运动速度随时间的变化关系图；

图4和图5为本发明的驱动原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

一种基于光热效应的气泡可控驱动装置，包括具有高效电磁波吸收特性并置于液体界面上的光热转换材料。

作为一种优选的实施方式，所述的具有高效电磁波吸收特性的光热转换材料选自有机材料、无机材料或复合材料，其中，无机材料选用等离子纳米金属颗粒、碳材料或硅材料，有机材料选用染料，复合材料为无机-无机复合材料、无机-有机复合材料或有机-有机复合材料。

作为一种优选的实施方式，所述的具有高效电磁波吸收特性的光热转换材料还可以采用由衬底材料和具有高效电磁波吸收特性材料组成的双层膜结构。

作为一种优选的实施方式，所述的光热转换材料置于液体界面的方式为：使光热转换材料密度小于所用液体，或在光热转换材料下方采用低于液体密度的轻质材料托举。

作为一种优选的实施方式，所述的液体为水、水溶液、有机液体或含有表面活性剂的混合液体。产生的推动力由气泡炸裂、气泡喷射或蒸汽喷射提供。其中气泡可以是纯溶液汽化产生或溶液中溶质如表面活性剂协助产生。

作为一种优选的实施方式，所述的光热转换材料为圆形、方形、三角形、燕尾型或其组合等，也可以是其他多边形或各种形状的组合体。其形状不限于二维，也包括一维和三维的形状和结构。

一种基于光热效应的气泡可控驱动方法，包括以下步骤：

(1)采用具有高效电磁波吸收特性的光热转换材料置于液体界面；

(2)再对光热转换材料施加入射电磁波，使得光热转换材料瞬时局部高温并气化产生气泡，通过气泡炸裂喷射产生驱动光热转换材料移动的推动力，使得光热转换材料在液体表面运动；

(3)运动过程中，改变入射电磁波的照射在光热转换材料的位置，控制光热转换材料在液体表面沿设定方向移动。

作为一种优选的实施方式，改变入射电磁波照射在光热转换材料上的位置的方式包括改变入射电磁波源方向、改变光热转换材料方向或通过配件改变入射电磁波传输方向。

作为一种优选的实施方式，所述的入射电磁波包括激光波、紫外光波、可见光波、红外光波或微波，其被光热转换材料的吸收方式为本征吸收与等离激元共振效应吸收中的一种或两种。

作为一种优选的实施方式，所述的液体与光热转换材料的性质要求满足：光热转换材料吸收入射电磁波后能转换成达到或超过液体沸点的热能，从而使得在光热转换材料与液体的界面处产生气泡。

作为一种优选的实施方式，在汽化过程中，保证光热转换材料形状性质不发生改变(如燃烧等)，且液体能不断补充。

实施例1

(1)金纳米颗粒制备：按比例要求将50mL浓度为1mM的氯金酸(HAuCl₄)溶液加入至沸腾的去离子水中，搅拌均匀后立即加入5mL浓度为38.8mM的柠檬酸三钠溶液，在加热条件下保持沸腾并搅拌一定时间后去掉热源，继续搅拌，便得到粒径为10nm的金纳米颗粒。

(2)纸基复合膜制备：使用(1)中所述得到的颗粒溶液，将稀释至1mM的颗粒溶液，装入底部置有剪裁过的无尘纸的表面皿，放入有甲酸的干燥器内静置。一段时间后，将液面以下的清液小心去除，使表面自组装的颗粒膜沉积在无尘纸上；然后取出纸基复合膜并烘干，该纸基复合膜的内部结构如图1所示，无尘纸纤维杂乱分布形成网状结构，沉积的金颗粒附着于无尘纸纤维上，在纤维表面形成一层致密的金膜。

(3)将纸基复合膜裁剪成前端为半圆形后部为1cm*1cm方形的形状如图2所示，置于一定浓度(3wt.％-30wt.％)的十二烷基磺酸钠的水溶液表面。

(4)用波长532nm的激光照射该装置，复合膜上面的金颗粒吸收入射的光能并在局部转换成热能。局部聚积的热能使水汽化并在十二烷基磺酸钠的帮助下产生气泡，气泡喷出产生推动力，推动复合膜在液体表面直线运动。

实施例2

所述的具有电磁波吸收特性物质为碳；基于光热效应的气泡可控驱动的装置的制备：将具有电磁波吸收特性的碳的微纳米结构单元超声分散至乙醇中(重量浓度0.1％-20％)。通过抽滤法将碳的微纳米结构单元依附于滤纸上制备纸基复合膜。其余同实施例1。

实施例3

前两步同实施例1。

将纸基复合膜剪成燕尾形，用波长532nm的激光照射该装置，通过手控银镜反射镜来控制激光持续照射在尾部一侧，产生气泡推动燕尾形纸基复合膜转动，从而达到控制燕尾形纸基复合膜在液体表面圆周运动。

实施例4

前两步同实施例1。

在纸基复合膜下贴两条聚丙烯泡沫塑料条以提供额外浮力，将纸基复合膜放于乙醇表面并用波长532nm的激光照射该装置。通过产生乙醇气泡炸裂推动装置运动。其速度与时间的变化关系图如图3所示。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光热效应的气泡可控驱动装置，其特征在于，包括具有高效电磁波吸收特性并置于液体界面上的光热转换材料。

2.根据权利要求1所述的一种基于光热效应的气泡可控驱动装置，其特征在于，所述的具有高效电磁波吸收特性的光热转换材料选自有机材料、无机材料或复合材料，其中，无机材料选用等离子纳米金属颗粒、碳材料或硅材料，有机材料选用染料，复合材料为无机-无机复合材料、无机-有机复合材料或有机-有机复合材料。

3.根据权利要求1所述的一种基于光热效应的气泡可控驱动装置，其特征在于，所述的具有高效电磁波吸收特性的光热转换材料采用由衬底材料和具有高效电磁波吸收特性材料组成的双层膜结构。

4.根据权利要求1所述的一种基于光热效应的气泡可控驱动装置，其特征在于，所述的光热转换材料置于液体界面的方式为：使光热转换材料密度小于所用液体，或在光热转换材料下方采用低于液体密度的轻质材料托举。

5.根据权利要求1所述的一种基于光热效应的气泡可控驱动装置，其特征在于，所述的液体为水、水溶液、有机液体或含有表面活性剂的混合液体。

6.根据权利要求1所述的一种基于光热效应的气泡可控驱动装置，其特征在于，所述的光热转换材料为圆形、方形、三角形、燕尾型或其组合。

7.一种基于光热效应的气泡可控驱动方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用具有高效电磁波吸收特性的光热转换材料置于液体界面；

(2)再对光热转换材料施加入射电磁波，使得光热转换材料瞬时局部高温并气化产生气泡，通过气泡炸裂喷射产生驱动光热转换材料移动的推动力，使得光热转换材料在液体表面运动；

(3)运动过程中，改变入射电磁波的照射在光热转换材料的位置，控制光热转换材料在液体表面沿设定方向移动。

8.根据权利要求7所述的一种基于光热效应的气泡可控驱动方法，其特征在于，所述的液体与光热转换材料的性质要求满足：光热转换材料吸收入射电磁波后能转换成达到或超过液体沸点的热能。

9.根据权利要求7所述的一种基于光热效应的气泡可控驱动方法，其特征在于，改变入射电磁波照射在光热转换材料上的位置的方式包括改变入射电磁波源方向、改变光热转换材料方向或通过配件改变入射电磁波传输方向。

10.根据权利要求7所述的一种基于光热效应的气泡可控驱动方法，其特征在于，所述的入射电磁波包括激光波、紫外光波、可见光波、红外光波或微波，其被光热转换材料的吸收方式为本征吸收与等离激元共振效应吸收中的一种或两种。