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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展

發布人:中山大地

發布時間:2015-07-02

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

近日,清華大學熱能系博士生任翊華在這一領域取得了突破性進展,他與美國羅格斯大學Stephen Tse教授、耶魯大學Marhsall Long教授等合作,探明了弱激光作用下納米氧化物顆粒產生納米等離子體的相選擇性擊穿機制,并在此基礎上開發出一種新型相選擇性激光誘導擊穿光譜技術的方法,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-激發機制》為題,發表在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王海教授亦對論文的完成提供了重要的幫助。

論文通過測量火焰中納米TiO2 顆粒彈性散射和原子光譜信號的時間演化特性,刻畫出了納米顆?!拔?燒融-激發”全過程的物理圖景;結合近紅外激光激發實驗,確定了能量吸收機制來源于躍遷至導帶中的電子,而并非過去報道的熱效應;進而采取對 Fokker-Planck方程進行無量綱化,類比熱能學科教學中經典流動、燃燒和傳質理論,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。該工作為今后進一步開發和利用相選擇性激光誘導擊穿光譜技術奠定了基礎。

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

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