热能系在纳米气溶胶新型激光诊断方法的物理机制研究中取得重要进展

  清华新闻网3月13日电  近日,清华大学热能系博士生任翊华,在导师李水清、青年教师张易阳(已到核研院工作)的指导和协助下,与美国罗格斯大学Stephen Tse教授、耶鲁大学Marhsall Long教授等合作,探明了弱激光作用下纳米氧化物颗粒产生纳米等离子体的相选择性击穿机制,并在此基础上开发出一种新型的相选择性激光诱导击穿光谱技术方法(Phase-selective Laser-induced Breakdown Spectroscopy),相关工作发表以《纳米气溶胶系统中激光-颗粒团簇相互作用的吸收-烧融-激发机制》(Absorption-Ablation-Excitation Mechanism of Laser-Cluster Interactions in a Nanoaerosol System)为题,发表在3月6日刊出的《物理评论快报》(Physical Review Letters, 2015, 104, 023115)。任翊华为论文第一作者,李水清为论文通讯作者。

图为火焰场内纳米颗粒与激光相互作用的吸收-烧融-激发机制。

图为纳米TiO2颗粒在不同激光强度下散射效率和PS-LIBS信号的变化

  纳米钛白粉在生活中被广泛地用来降解甲醛等有机污染物或用作紫外线防护剂,也是光催化、光电等新能源技术领域最受关注的功能材料,但是公众并不熟悉它的规模化生产几乎都来自高温火焰法的合成。煤、油、气等化石能源产生的细颗粒物大多形成于燃烧过程,乃至推及到星际尘埃中亚微米物质的形成。上述这些现象都涉及到自然界中一类共性的基础科学问题,即气态前驱物质向凝聚态颗粒相物质的转化机制。而针对这一多相复杂系统的在线激光诊断研究一直被国内外同行所密切关注。

  该论文通过测量火焰中纳米TiO2颗粒弹性散射和原子光谱信号的时间演化特性,刻画出了纳米颗粒“吸收-烧融-激发”过程的完整物理图景;再结合近红外激光激发实验,确定了能量吸收机制来源于受多光子激发跃迁至导带中的电子,并非过去报道的热效应;进而采取对Fokker-Planck方程进行无量纲化,类比于热能学科教学中经典流动、燃烧和传质理论,提出了能量空间上的Strouhal数、Damkoumlhler数和Peclet数,成功阐释了弱激光与纳米颗粒相互作用的物理机制。该工作奠定了今后进一步开发和利用相选择性激光诱导击穿光谱技术的基础。该论文作者对热能系姚强教授、工程物理系蒲以康教授及斯坦福大学王海教授给与的帮助和讨论表示最诚挚的感谢。该研究由国家自然科学基金、国家重点基础研究计划资助。

  近两年来热能系围绕高温火焰场内超细颗粒生成的在线激光诊断开展了一系列工作,发表了多篇研究论文,如相选择性击穿现象的首次发现(Combustion and flame, 2013),火焰场内纳米颗粒物二维LIBS测量的首次实现(Appl. Phys. Lett., 2014),利用相选择性击穿光谱研究煤燃烧过程中超细颗粒物中碱金属元素在线迁移规律(Proc. Combust. Inst., 2015)等,并已开展了多项国际合作研究。博士生张易阳的博士学位论文成功入选德国施普林格出版社Springer Theses丛书,是2014年度清华大学的5篇入选论文之一。

供稿:热能系  学生编辑:柔 香

2015年03月13日 14:17:27  清华新闻网

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