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熱能系在納米氣溶膠新型激光診斷方法的物理機制研究中取得重要進(jìn)展

發(fā)布人:中山大地

發(fā)布時(shí)間:2015-07-02

納米鈦白粉在生活中被廣泛地用來(lái)降解甲醛等有機污染物或用作紫外線(xiàn)防護劑,也是光催化、光電等新能源技術(shù)領(lǐng)域最受關(guān)注的功能材料,但是公眾并不熟悉,它的規?;a(chǎn)幾乎都來(lái)自高溫火焰法的合成。煤、油、氣等化石能源產(chǎn)生的細顆粒物大多形成于燃燒過(guò)程,乃至推及到星際塵埃中亞微米物質(zhì)的形成。上述這些現象都涉及到自然界中一類(lèi)共性的基礎科學(xué)問(wèn)題,即氣態(tài)前驅物質(zhì)向凝聚態(tài)顆粒相物質(zhì)的轉化機制。而針對這一多相復雜系統的在線(xiàn)激光診斷研究一直被國內外同行所密切關(guān)注。

近日,清華大學(xué)熱能系博士生任翊華在這一領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展,他與美國羅格斯大學(xué)Stephen Tse教授、耶魯大學(xué)Marhsall Long教授等合作,探明了弱激光作用下納米氧化物顆粒產(chǎn)生納米等離子體的相選擇性擊穿機制,并在此基礎上開(kāi)發(fā)出一種新型相選擇性激光誘導擊穿光譜技術(shù)的方法,研究成果以《納米氣溶膠系統中激光-顆粒團簇相互作用的吸收-燒融-激發(fā)機制》為題,發(fā)表在2015年3月6日刊出的《物理評論快報》(2015, 104, 023115)。任翊華為論文第一作者,其導師李水清為論文通訊作者。熱能系姚強教授、工程物理系蒲以康教授及斯坦福大學(xué)王海教授亦對論文的完成提供了重要的幫助。

論文通過(guò)測量火焰中納米TiO2 顆粒彈性散射和原子光譜信號的時(shí)間演化特性,刻畫(huà)出了納米顆?!拔?燒融-激發(fā)”全過(guò)程的物理圖景;結合近紅外激光激發(fā)實(shí)驗,確定了能量吸收機制來(lái)源于躍遷至導帶中的電子,而并非過(guò)去報道的熱效應;進(jìn)而采取對 Fokker-Planck方程進(jìn)行無(wú)量綱化,類(lèi)比熱能學(xué)科教學(xué)中經(jīng)典流動(dòng)、燃燒和傳質(zhì)理論,提出了能量空間上的Strouhal數、 Damkoumlhler數和Peclet數,成功闡釋了弱激光與納米顆粒相互作用的物理機制。該工作為今后進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和利用相選擇性激光誘導擊穿光譜技術(shù)奠定了基礎。

近年來(lái),清華熱能系圍繞高溫火焰場(chǎng)內超細顆粒生成的在線(xiàn)激光診斷開(kāi)展了一系列工作,形成了多篇研究成果,如相選擇性擊穿現象的首次發(fā)現(Combustion and flame, 2013)、火焰場(chǎng)內納米顆粒物二維LIBS測量的首次實(shí)現(Appl. Phys. Lett., 2014)、利用相選擇性擊穿光譜研究煤燃燒過(guò)程中超細顆粒物中堿金屬元素在線(xiàn)遷移規律(Proc. Combust. Inst., 2015)等,并已開(kāi)展了多項國際合作研究,獲得了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)基礎研究計劃的廣泛資助。