納米鈦白粉在生活中被廣泛地用來(lái)降解甲醛等有機(jī)污染物或用作紫外線防護(hù)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(guī)模化生產(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(xì)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(xiàn)象都涉及到自然界中一類(lèi)共性的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，即氣態(tài)前驅(qū)物質(zhì)向凝聚態(tài)顆粒相物質(zhì)的轉(zhuǎn)化機(jī)制。而針對(duì)這一多相復(fù)雜系統(tǒng)的在線激光診斷研究一直被國(guó)內(nèi)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(guó)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(jī)制，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出一種新型相選擇性激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的方法，研究成果以《納米氣溶膠系統(tǒng)中激光-顆粒團(tuán)簇相互作用的吸收-燒融-激發(fā)機(jī)制》為題，發(fā)表在2015年3月6日刊出的《物理評(píng)論快報(bào)》（2015, 104, 023115）。任翊華為論文第一作者，其導(dǎo)師李水清為論文通訊作者。熱能系姚強(qiáng)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(duì)論文的完成提供了重要的幫助。

論文通過(guò)測(cè)量火焰中納米TiO2 顆粒彈性散射和原子光譜信號(hào)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(jié)合近紅外激光激發(fā)實(shí)驗(yàn)，確定了能量吸收機(jī)制來(lái)源于躍遷至導(dǎo)帶中的電子，而并非過(guò)去報(bào)道的熱效應(yīng)；進(jìn)而采取對(duì) 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(shù)、 Damkoumlhler數(shù)和Peclet數(shù)，成功闡釋了弱激光與納米顆粒相互作用的物理機(jī)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(dǎo)擊穿光譜技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

近年來(lái)，清華熱能系圍繞高溫火焰場(chǎng)內(nèi)超細(xì)顆粒生成的在線激光診斷開(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(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)（Combustion and flame, 2013）、火焰場(chǎng)內(nèi)納米顆粒物二維LIBS測(cè)量的首次實(shí)現(xiàn)（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(xì)顆粒物中堿金屬元素在線遷移規(guī)律（Proc. Combust. Inst., 2015）等，并已開(kāi)展了多項(xiàng)國(guó)際合作研究，獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃的廣泛資助。