光熱效應
關注創建者：琳泓comsol 創建時間：2021-07-26
光熱效應的實例教程
</p><p>有趣的是，光熱效應使心肌細胞興奮，而并不是像大腦神經細胞一樣抑制神經元的放電過程。這表明 PDA 納米顆?？梢愿鶕邢蚣毎念愋筒煌黾踊蚪档图毎呐d奮性。</p><p>Barani Raman 說：“無論是心肌細胞還是肌肉細胞，其興奮性在一定程度上都取決于（納米顆粒的）擴散速度。雖然心肌細胞的活動有自己的規律，但用溫度控制納米顆粒和神經結合的基本原理是一樣的?！?lt;/p><p>不僅如此，PDA 納米顆粒還具有高度的生物相容性和生物降解性。也就是說，這種物質可以做到悄無聲息地消失在人體里。</p><p>Singamaneni 解釋道：“這就好比把咖啡伴侶倒入熱咖啡中，它會在擴散過程中溶解。如果能夠很好的控制溫度的話，就可以控制納米顆粒的擴散速度，進而影響神經元活動。這項研究證明，在被納米顆粒包圍的神經元附近進行光熱效應（將光轉化為熱）可以成為遠程操控特定神經元的一種方式。”</p><p><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2021%2F0730%2Faf5ba670p00qx27bs001od200fj00cpg00fj00cp.png&thumbnail=650x2147483647&quality=80&type=jpg"></p><p>圖 | 實驗數據示意圖（來源：Advanced Material）</p><p>作者認為，和傳統的光遺傳學相比，新型納米材料可對神經細胞進行不同檔次的調控，且操作具有微創及可逆的特點。為了更高效的利用光熱效應，該團隊還設計了一種膠原/PDA納米顆粒泡沫， 用作光熱效應的“附加貼片”。
展開 用COMSOL仿真激光在光纖中傳輸的光熱效應問題
我想仿真激光在光纖中傳輸的光熱效應，即激光在光纖中損耗轉化為熱量的現象。
我選用COMSOL 波動光學模塊和固體傳熱模塊，添加多物理場耦合，study設置為頻域-瞬態。
具體模型如下圖所示，光纖材料為silica，外層為air，上下端口設置為數值端口。
但是計算總是顯示不收斂，初步懷疑是邊界條件的問題，請問這種結構該如何設置熱場的邊界條件？
謝謝！
此外，TTVB@NM也具有較強的ROS 產生能力以及溫和的光熱效應，有利于實現光動力/光熱協同的抗菌。
圖3. 負載TTVB的納米纖維薄膜的微觀結構、活性氧產生能力、過濾效率、透氣性以及表面接觸角表征。
作者使用氣溶膠發生器制備了直徑為1 ~ 5 μm的含有致病微生物的微小顆粒以模擬人類打噴嚏或咳嗽時產生的氣溶膠（圖4），進而研究了TTVB@NM對致病氣溶膠的攔截能力。結果表明，TTVB@NM表面附著了很多病原菌，且薄膜的下表面沒有病原菌穿過。進一步的，作者將含有多種病原微生物的氣溶膠噴到薄膜表面，然后將其置于日光下輻照5或者10分鐘，結果表明，TTVB@NM可在10分鐘的陽光照射下有效滅活含細菌(抑制率為99%)、真菌(抑制率為88%)和噬菌體(抑制率為99%)的致病性氣溶膠。
圖4. 負載TTVB的納米纖維薄膜對含有病原菌的氣溶膠的過濾能力以及在太陽光下對其表面附著的病原菌的滅活能力研究。
相關研究工作目前以“AIEgen-loaded nanofibrous membrane as photodynamic/photothermal antimicrobial surface for sunlight-triggered bioprotection”為題目發表在Biomaterials上，文章第一作者為深圳大學AIE研究中心李夢博士，通訊作者為深圳大學AIE研究中心王東副教授和香港中文大學（深圳）唐本忠院士。
展開 此外，MoS2-Pen納米片通過NIR驅動的光熱效應及近紅外響應的藥物釋放性能實現了光熱和藥物的協同殺菌作用，表現出優異的抗菌膜活性。此外，這項工作為超薄2D納米片的制備提供了獨特的見解，并為研究其潛在特性提供了很好的機會。
目前，基于光化學異構反應、光熱效應等并結合器件不對稱結構設計等策略，已發展了諸多光響應性致動體系，廣泛用于液體傳輸、微球轉移、光驅動馬達等場合。但是，目前基于單一光響應性軟材料體系實現智能器件彎曲、扭曲、轉動等多種致動需求仍是一項挑戰性工作。
近日，加拿大舍布魯克大學的趙越（Yue Zhao）教授研究團隊制備了近紅外（NIR）染料摻雜的液晶聚合物（liquid crystal polymer, LCP）條狀致動器，一側是單軸取向的交聯液晶單疇（致動側）而另一側是交聯液晶多疇（非致動側）。該致動器基于不同的工作條件，在NIR激光照射下能夠分別執行正向/方向推動物體移動、轉向爬行、“手臂”擺動等一系列動作。致動器件的運動模式、方向及幅度具有優異的可控性，在智能機器人領域具有巨大的應用前景。
圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.
研究人員以含肉桂基交聯基團的共聚物液晶彈性體（LCE）體系為非均相交聯基體材料（下圖a），以imNi8(4)（下圖b）為刺激響應性組分構筑了光熱響應性液晶聚合物體系LCE/imNi8(4)（0.2 wt%）。該體系在974 nm處具有較強的吸收，且具有優異的UV光穩定性和熱穩定性。在980 nm激光輻照下，該液晶體系展現出良好的光熱效應：在3.9 Wcm-1 的光強下4 s內能夠達到聚合物體系的各向同性轉變溫度（TNI ~ 55 ℃），條狀LCP膜展現出優異的可逆光致彎曲行為。
光熱響應性LCP結構示意圖及性能測試。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.
當將條狀LCP膜兩端固定時，在980 nm激光（3.9 W cm-2）輻照條件下，能夠方便地實現膜表面固體棒（碳棒、玻璃棒或銅棒）的正向/反向快速傳輸（0.8 mm s-1），棒狀物的移動位置、速度能夠通過調控NIR激光進行精確控制。
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本方案如圖所示，熱瞬態測試儀T3Ster能夠對LED的光熱效應進行同時跟蹤；利用T3Ster主機可以實現LED熱阻模型的實驗，實驗結果可直接產生FloEFD仿真中所需的模型；同時配合Teral LED儀器，可以用積分球邊熱測試邊檢測LED光通量，實現了光熱一體化檢測方案，為使用者實現流明要求，且符合熱學要求，降低設計余量，進行高精度設計，提供一個有力工具。
根據熱致動原理，在致動疇相變過程中，通過光熱效應產生收縮/膨脹力(圖11d)。結果，機器人在光照射下表現出溫度記憶行為(圖11e)，并成功應用于智能光開關器件(圖11f)。盡管在過去的幾十年里，熱致動器領域取得了不斷的突破。從本質上講，絕大多數熱響應仿生機器人仍處于實驗階段。實現批量生產和器件高度集成仍然是一個艱巨的挑戰。
根據熱致動原理，在致動疇相變過程中，通過光熱效應產生收縮/膨脹力(圖11d)。結果，機器人在光照射下表現出溫度記憶行為(圖11e)，并成功應用于智能光開關器件(圖11f)。盡管在過去的幾十年里，熱致動器領域取得了不斷的突破。從本質上講，絕大多數熱響應仿生機器人仍處于實驗階段。實現批量生產和器件高度集成仍然是一個艱巨的挑戰。
圖6.基于光熱效應的被動熱管理。(a) AM 1.5 G太陽光譜。插圖是光熱效應加熱材料的示意圖; (b)可穿戴透明MXene & AgNP涂層，具有光驅動可愈合性能; (c)光熱治療用生物基材料微針貼片。
圖7.用于被動溫度調節的汗液蒸發。
外膜囊泡釋放到周圍環境后，周圍滲透壓的改變和等離激元光學納米天線的局域光熱效應會促進外膜囊泡的破裂，使得酶分子釋放而被等離激元光學納米天線探測到。實驗表明，這種等離激元光學納米天線的探測時間長（長達數小時至數十小時）、探測靈敏度高（單分子級別）、穩定性好（無光漂白）、具有遠距離探測能力（距離細菌表面達到
3 μm
）。
參考論文是南京郵電大學碩士畢業論文《光力和光熱效應的有限元分析方法研究》。
模型如下
在真空中有一個銀納米棒，有平面光從上往下照射，研究納米棒受到的光力。
下圖是論文圖VS我的仿真結果。
常見導電生物材料用于加速傷口愈合
基于導電聚合物、碳納米材料或導電無機納米材料的導電生物材料由于具有與人體皮膚相似的導電性、良好的抗氧化和抗菌活性、電控藥物遞送和光熱效應，在傷口愈合和皮膚組織工程中顯示出巨大的潛力。缺乏對用于傷口愈合和皮膚組織工程的多功能光響應水凝膠以及導電生物材料的設計和應用的評論。
其次，通過聚合物網絡的相變或熵驅動的構象變化，也可以對準固態離子導體植入致動功能，例如對于玻璃轉化溫度略高于室溫的聚離子 彈性體，在玻璃化轉變溫度附近具有自主響應的形狀記憶效果，彈性體內部的自由離子則可以通過離子電導率的變化感知運動結果，遠程光刺激可以通過光熱效應控制材料的溫度變化，因此，在近紅外光的遠程照射下，聚離子 彈性體逐漸伸展，并顯示出實時反饋的電阻信號。
這是因為該柔性驅動器復合材料結合了碳化蠶絲和柔性驅動器的各自特點：碳化蠶絲具有很好的光熱效應、電熱效應、電磁-熱效應，可將光能、電能、電磁波轉換為熱，從而引發類玻璃高分子的酯交換反應和網絡拓撲結構的改變，使柔性驅動器復合材料可用光、電和電磁波進行劃痕、孔、傷口、裂紋的自愈合；類玻璃高分子自身對熱和溶劑具有響應性，可用熱和溶劑進行自愈合/自修復。
圖3.材料不同三維形狀的光編程及模擬仿真
利用光熱效應來代替傳統的加熱方式，還可以實現材料的序列變形。該團隊通過向材料中摻雜一定含量的碳納米管，制備得到了黑色半透明的二硒形狀記憶材料，實驗表明該材料具備良好的光熱性能。通過對該材料進行應力編輯并配合660nm激光輻照，可以實現六臂材料的序列折疊過程。
