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Energía

Un rayo láser logra empujar una masa de agua para crear una corriente por primera vez

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La luz suele atravesar el agua, pero un equipo de investigación ha conseguido que interactúe con ella para crear una corriente homóloga a la del láser. Es un fascinante hallazgo que combina nanofotónica, microfluidos, acústica y ciencia de materiales, y que tendrá consecuencias importantes

  • por Emerging Technology From The Arxiv | traducido por Patricia R. Guevara
  • 11 Septiembre, 2017

El láser es uno de los avances científicos más icónicos del siglo XX. Estos dispositivos generan fotones coherentes concentrados en haces de una cantidad específica de energía. Pueden transmitir datos, detectar moléculas y quemar el metal. Además, los fotones también tienen una fuerza significativa. Y eso plantea una pregunta interesante: ¿es posible transferir esta fuerza para generar rayos de materia como, por ejemplo, un flujo de líquido? Hasta ahora, no.

Pero el investigador de la Universidad de Houston en Texas (EEUU) Jiming Bao y algunos compañeros afirman haber descubierto un proceso completamente nuevo de optofluidos que permite usar un rayo láser para crear una corriente de líquido. La técnica se puede extender a aplicaciones en microfluidos, bioquímica, microfabricación y cualquier proceso que dependa de tecnología lab-on-chip (dispositivo que integra una o varias funciones propias de un laboratorio en un único chip).

Lo que los investigadores han descubierto es una forma de generar flujos de líquido muy concentrados dentro de un fluido, un descubrimiento que supone una verdadera sorpresa.

La luz láser no suele interactuar con el agua, excepto si ésta se sitúa en una misma interfaz con otro medio, como por ejemplo el aire. Los fotones pueden "empujar" esa interfaz, aunque la transferencia de fuerza es pequeña y ciertamente demasiado débil para impulsar un flujo de fluido.

Pero Bao y sus colaboradores se dieron cuenta de que podían generar una corriente de agua dentro de un volumen mayor del líquido si éste contenía nanopartículas de oro. Dirigieron un láser verde a través de la pared de vidrio del recipiente y, después de unos minutos, observaron que una corriente de líquido fluía rápidamente a lo largo de la dirección del rayo de luz.

"Los flujos son una versión líquida del rayo láser, y se mueven en las mismas direcciones que los rayos refractados, como si fueran impulsados ​​directamente por los fotones del láser", explican los investigadores. Y añaden: "Llamamos a este fenómeno corriente láser (laser streaming en inglés)".

Este hallazgo es sorprendente y, en él las nanopartículas son cruciales. Si el agua es pura (sin nanopartículas añadidas), el rayo láser la atraviesa sin encontrar obstáculos y sin crear corriente alguna.

Bao y sus compañeros tienen que trabajar duro para entender el fenómeno. Resulta que las nanopartículas absorben muy bien la luz verde, que está cerca de la frecuencia de resonancia de los electrones que estas partículas contienen.

Esto hace que las partículas se calienten y se enfríen con cada fogonazo de luz, expandiéndose y contrayéndose durante el proceso, lo que genera ondas acústicas en el agua. Hace tiempo que se sabe que este tipo de ultrasonido desplaza el líquido en un proceso llamado corriente acústica (acoustic streaming).

Pero el ultrasonido por sí mismo no garantiza el movimiento del líquido, así que algo más debe estar pasando. Los investigadores creen que el cambio de calentamiento a enfriamiento de las nanopartículas cerca de la pared del recipiente las hace unirse al vidrio. Con el tiempo, las nanopartículas se quedan incrustadas alrededor del punto donde el láser apunta 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 es justo del tamaño y de la forma correctos para poder enfocar el ultrasonido generado por las nanopartículas incrustradas. En otras palabras, la cavidad se convierte en una cámara resonante (una especie de altavoz) que genera un haz de ultrasonido. Bao y sus compañeros dicen que la corriente líquida es impulsada por este ultrasonido direccional enfocado.

Este fascinante descubrimiento combina nanofotónica, microfluidos, acústica, y ciencia de materiales, y tiene implicaciones significativas. La capacidad de mover líquidos a escala microscópica es crucial para todo tipo de experimentos lab-on-a-chip. También es útil para la nanofabricación e incluso para la propulsión por láser.

Bao y su equipo se muestran optimistas sobre el futuro. "La corriente láser encontrará aplicaciones en dispositivos controlados y activados ópticamente, tales como microfluidos, propulsión láser, cirugía láser y limpieza, transporte masivo o mezclado, por nombrar sólo algunos", dicen.

Esperamos poder seguir su progreso.

Ref: arxiv.org/abs/1708.05852: Laser Streaming: Turning a Laser Beam into a Flow of Liquid

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