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自1960年激光发明以来，它们总是发出热量，或者作为一个用途广泛的工具，一种副产品，也经常以一种虚构的方式被用来征服银河系的敌人。9 ^2 F2 Y/ {7 i# `6 p$ Y
但是这些激光束却从来没有用来冷却液体。华盛顿大学的研究人员首次解决了这个存在了几十年的难题，他们在现实条件下，实现了用激光冷却水和其它液体。
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2 ?7 H0 A% t) Q$ j8 Y, f这一研究成果发表于11月16日出版的《美国国家科学院院刊上》，该团队利用红外激光将水冷却到36华氏度，这是该领域的一项重大突破。
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& U/ A$ D0 _6 |, V; |. O“如果你看过电影星球大战，就会知道电影里面的激光炮能够使物体升温。而这一次，是首次利用激光束在日常条件下冷却像水这样的液体，” 这篇论文的主要作者，也是华盛顿大学材料科学与工程专业助理教授Peter Pauzauskie说。“这种做法是否能够成功，确实是一个悬而未决的问题，因为我们都知道，水被光束照亮，就会变暖。”
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' s5 w& \3 b) {这个发现能够帮助工业领域，利用集中光束在一个微小的面积里实现“点冷”操作。举个微处理器的例子，可能会有那么一天，使用激光束来冷却计算机芯片中的特定部件，以防止过热，这样也能让信息处理的效率更高。+ V% \1 h! ^, E5 g1 M0 a
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科学家们也能利用激光束，在细胞分裂或自我修复时，通过精确地冷却细胞的一部分，减缓它们的分裂和自我修复过程，从而让研究人员有机会了解细胞是如何工作的。也可以在神经网络中单独冷却一个神经元——只是让这个神经元不再活跃，并没有损害它——通过这种方式来了解附近的神经元如何绕过它以及实现自我修复。
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; N" s: `4 ^" {8 T8 U; a7 z“对于细胞如何分裂，分子和酶如何实现它们的功能，还有许多令人感兴趣的方面，但在以往却没有办法做到通过冷却的方式来研究它们的特性，” Pauzauskie说，他也是来自华盛顿州里奇兰，美国能源部的太平洋西北国家实验室的科学家。“利用激光冷却，有点像将电影中的生命的活动过程进行慢动作展示，优点是，你不需要冷却整个细胞，如果冷却整个细胞就会杀死它或改变它的行为。”8 [7 ?4 V' q2 y/ S% T9 S
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华盛顿大学的研究团队选用红外光作为冷却激光，实现在生物学领域的应用，因为可见光会对细胞有破坏作用，能够将它们“晒伤”。他们证实激光也能冷却盐水和细胞培养基(在遗传和分子研究领域常用)。
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为了实现这项突破，华盛顿大学研究团队使用了商业激光领域常见的一种材料，但本质上却与激光现象相反。他们用红外激光照射一个悬浮在水中的微小晶体，激发出一种独特的光线，这个光线的能量比光吸收的能量要稍微多一点。
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5 h$ J* I- n; v+ r0 @# l: I这种高能光从晶体和包围着它的水中带走了热量。首次激光冷却过程是1995年美国洛斯阿拉莫斯国家实验室在真空条件下实现的，近20年后在液体中，再次实现了这个过程。
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: H) h3 ]4 O( W! h- b+ ^0 ~0 N% G通常情况下，激光晶体的生长是一个昂贵的过程，需要花费大量的时间和美元，只能生产仅仅一克材料。华盛顿大学的研究团队还发明了一个低成本的水热方法，可用于制造著名的激光晶体，以更加快捷、低成本和可扩展的方式实现激光冷却应用。% f0 e- \- |' h0 U; N
5 ~- \, w- p; y$ b O2 M+ j8 H华盛顿大学的研究团队还设计了一种仪器，使用激光阱(类似于微牵引光束)，将一个侵入液体中的纳米晶体“困在”液体室里，并用激光照射它。为了确定液体是否冷却，这个仪器能够投射粒子的“影子”，通过这种方式研究人员能够观察它运动过程中每分每秒的变化。
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当周围的液体变冷时，被困住的颗粒就会慢下来，从而让研究团队清楚地观察冷却效果。他们还设计了一种晶体，当冷却时能够实现从蓝绿到泛红的颜色变化，就像一个内置的彩色温度计。, q; F7 e; t$ a/ ]) `5 K5 r- w2 L
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“这个项目的真正挑战是建造一个仪器，以及设计一种方法，利用与困住晶体相同光线的特征，也能够确定这些纳米晶体的温度，”论文的主要作者派登 罗德说，他刚刚获得威斯康辛大学材料科学与工程专业博士学位，目前在英特尔工作。; {2 O7 F$ ^4 B9 _# y! v6 B/ g
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到目前为止，华盛顿大学的研究团队仅仅展示了单一纳米晶体的冷却效果，而激发多个晶体需要更多的激光能。激光冷却过程目前比较耗能，Pauzauskie说，下一步的研究包括寻找提高效率的方法。4 q& D5 b$ `9 P! v
& U3 ^0 l( s E4 q* A- F& A, b8 |4 `有一天，冷却技术本身也可以通过高功率激光，用来实现制造、电信或国防领域应用，而目前高功率激光往往容易过热以及将物体融化。
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7 o9 t4 |5 ], w: u" n6 c9 S“因为利用激光冷却液体之前是不可能做到的，所有现在人们不会一下子就想到如何利用这项技术来解决问题，”他说。“我们就感兴趣的是，我们的研究对其他科学家或企业的想法产生何种影响，会不会影响他们的基础研究或底线，让他们不再墨守成规或固执己见。”
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发表于 2015-11-20 18:36:45
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