活性物质，如自我推进的布朗粒子或微型游泳者能从环境中消耗能量并将其转化为动能，实现定向运动或导航，为微/纳米机器人在工程和生物领域的应用提供了启示。为了模仿自然界以多模态运动为特征的活性物质的自驱动，以破解其复杂的动力学过程并揭示物理原理，人们利用对称性破缺结构促进介质中的化学梯度或有利活性，设计了复杂的人工自驱动微粒（如圆盘、棒或颗粒）。
由于液体的表面张力可以通过光热效应进行有效的调节，激光驱动的热马兰戈尼对流被广泛研究，并用于产生微尺度物体的自推进运动。邓道盛/胡曼课题组前期利用近红外激光构建近壁面逆温层，实现气泡表面双向光热马兰戈尼效应，进而实现光热气泡在单一液体介质中的周期性弹跳运动模式。但是，以往的气泡运动模式往往受限于沿激光入射方向，对气泡的多维度和多模式驱动，以及相关应用造成了固有的限制。因此，通过打破流场的周向或径向对称性来探索气泡的多模式运动颇为有趣。
近日，万博体育客户端app下载大学航空航天系邓道盛/胡曼课题组报道了一种悬浮在固/液界面上自发水平振荡的光热气泡，相关成果以“A hovering bubble with a spontaneous horizontal oscillation”为题发表于国际期刊Proceedings of the National Academy of Sciences（PNAS,《美国国家科学院院刊》）。
该研究通过将一束固定的近红外激光垂直穿过透明的蓝宝石玻片照射到乙醇液体中，利用乙醇对入射激光的体吸收光热响应，观察到光热气泡在垂直于入射激光方向平面内的自发对称破缺行为，该气泡在液体/固体界面上呈现出显著的水平自发振荡运动，如图1所示。
通过对气泡周围温度场和流场分布的观测，研究团队发现，气泡的振荡模式与界面温度和流体流动的振荡模式是同步的，提出气泡自发振荡的驱动机理是由于热浮力流在固壁面处形成驻点流产生的驱动力和激光光场分布形成热马兰戈尼流产生的恢复力协同作用的结果，如图2所示。根据此物理模型，分析得到的振荡区间和振荡频率与各激光功率下三种液体的实验结果十分吻合（图2d-e）。此外，针对气泡轨迹的旋转，结合PIV对气泡周围流场的可视化测量，发现可以用与振荡相关的涡旋的不对称性来解释（图2f）。
图1. 乙醇液体中光热气泡的自发水平振荡
图2. 气泡自发水平振荡：驱动机理、振荡区间和频率、涡旋不对称性
进一步，研究团队利用光学衍射元件将激光束分成两个光斑，探究了双气泡的耦合振荡动力学，实验结果表明，双气泡的振荡（“双摆”）方向似乎倾向于沿着两个激光点的连线方向进行，这与热分布的对称性破缺方向一致（图3），即两个气泡被两个光束点中间的一个低温区域隔开，在连接两个点的连线方向上温度不对称更为明显，说明双气泡以可控的方式实现了较理想的振荡方向的选择。
这些发现不仅将促进人们对活性物质的理解，而且有助于拓展气泡介导驱动技术的应用（用于微型机器人和药物传递等）。
图3. 双振荡气泡的“双摆”
万博体育客户端app下载大学航空航天系青年副研究员胡曼为该论文第一作者，邓道盛研究员和博士毕业生王峰（现清华大学能动系助理研究员）是论文的共同通讯作者，其他合作者包括万博体育客户端app下载大学航空航天系科研助理霍鹏和博士后顾希，博士生陈力、李雨琪和吴文娜。该项工作得到了上海市自然科学基金面上项目的支持。
