[论文解读] Ultrafast modulation of the molten metal surface tension under femtosecond laser irradiation

Chenhao Li, Hongtao Liang+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2022

Laser Material Processing Techniques参考文献 33被引用 6

一句话总结

本研究通过双温模型分子动力学模拟，预测了单束飞秒激光脉冲对熔融金属表面张力的超快调制。由于纳米尺度非静水应力场的作用，表面张力在1.5 ps内急剧下降，从而实现了对液态表面动力学的皮秒级调控，动态表面张力与平衡值相比变化超过20%，为微流体和先进制造中的超快、非接触式液态表面操控开辟了新途径。

ABSTRACT

We predict ultrafast modulation of the pure molten metal surface stress fields under the irradiation of the single femtosecond laser pulse through the two-temperature model molecular-dynamics simulations. High-resolution and precision calculations are used to resolve the ultrafast laser-induced anisotropic relaxations of the pressure components on the time-scale comparable to the intrinsic liquid density relaxation time. The magnitudes of the dynamic surface tensions are found being modulated sharply within picoseconds after the irradiation, due to the development of the nanometer scale non-hydrostatic regime behind the exterior atomic layer of the liquid surfaces. The reported novel regulation mechanism of the liquid surface stress field and the dynamic surface tension hints at levitating the manipulation of liquid surfaces, such as ultrafast steering the surface directional transport and patterning.

研究动机与目标

• 研究飞秒激光辐照下熔融金属中超快、非平衡态表面张力的调制行为。
• 克服液态表面工程中长期存在的宏观时间尺度操控限制。
• 揭示皮秒时间尺度下动态表面张力变化的原子尺度机制。
• 展示超快、低剂量激光控制在定向液态表面输运与图案化中的可行性。
• 基于原子模拟，建立非平衡液态金属中动态表面应力场的预测框架。

提出的方法

• 采用双温模型分子动力学（TTM-MD）模拟，以描述电子-离子能量传递及非平衡动力学行为。
• 使用经典多体势能描述Al、Ti和Ni的原子间相互作用，并匹配实验热力学参数。
• 在熔融金属表面（0.95Tm）施加200 fs激光脉冲（能量密度16 mJ/cm²），横向方向采用周期性边界条件，热扩散方向采用半无限边界条件。
• 进行500次独立的重复模拟，以确保动态表面张力测量的统计精度。
• 通过液-汽界面处瞬时压力分量与应力场计算动态表面张力。
• 分析垂直于表面方向的界面结构演化（密度、压力、应力），以建立结构变化与表面张力调制之间的关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 飞秒激光辐照能否在皮秒时间尺度上诱导熔融金属表面张力的超快调制？
• RQ2 在亚皮秒时间尺度上，驱动动态表面张力变化的原子尺度机制是什么？
• RQ3 纳米尺度表面层中的非静水应力场如何影响表面张力动力学？
• RQ4 利用单次、低能量密度的飞秒激光脉冲，表面张力可偏离平衡值多大程度？
• RQ5 脉冲宽度（飞秒 vs. 皮秒）如何影响表面张力调制的幅度与时序？

主要发现

• 在200 fs激光辐照后1.5 ps内，动态表面张力γ(t)/γ₀急剧下降，瞬态变化超过平衡值γ₀的20%。
• 对于Al和Ti，表面张力在10–30 ps后恢复至稳定值；对于Ni，则在15 ps时出现1.15γ₀的瞬态峰值后松弛。
• 超快表面张力调制由液态表面外层原子之后的纳米尺度非静水应力区发展所驱动。
• 表面张力变化不符合已知的热力学温度依赖关系，表明其具有非平衡、动态起源。
• 与50 ps激光脉冲相比，飞秒激光诱导的表面张力调制更快、更显著，后者需近一个数量级更长时间才能实现相似的热与结构变化。
• 结果揭示了一种超快调控液态表面应力场的新机制，为定向表面输运与亚皮秒级图案化应用提供了潜在可能。