創(chuàng)吉尼斯世界紀(jì)錄！西工大團(tuán)隊(duì)制備出“地面上最長(zhǎng)壽命氣泡”

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　　近日，西北工業(yè)大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院臧渡洋教授團(tuán)隊(duì)成功制備出“地面上最長(zhǎng)壽命氣泡”，在聲懸浮條件下氣泡保持時(shí)間可達(dá)到23分36秒，且在被直徑0.8毫米的熱銅針穿透時(shí)懸浮氣泡仍能保持不破裂。該研究成果發(fā)表在《自然》期刊“亮點(diǎn)研究”欄目，并創(chuàng)下吉尼斯世界紀(jì)錄。

　　氣泡在人們生產(chǎn)生活中是熟悉且不可或缺的重要角色，由于氣泡獨(dú)特的界面物理化學(xué)性質(zhì)及其動(dòng)力學(xué)行為，特別是氣泡膜為許多特定的物理化學(xué)過(guò)程提供了獨(dú)特的傳熱傳質(zhì)邊界條件和二維柔性約束，其在材料工程、流體物理、生命科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。

　　然而，由于重力導(dǎo)致的排液以及氣泡本身的大比表面積，氣泡天生不穩(wěn)定。自然界中常見(jiàn)的氣泡往往只能存在數(shù)秒且觸之即破，這種生命周期短和穩(wěn)定性差的特性極大制約了其在生產(chǎn)生活中的廣泛應(yīng)用及其重要作用的發(fā)揮。因此，為氣泡增壽成為許多流體物理和軟物質(zhì)等相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者和工程師的一個(gè)饒有興致的挑戰(zhàn)。

　　普通氣泡受到重力的影響，液膜上下的薄厚程度逐漸不均衡，使得氣泡在自然條件下只能短時(shí)間存留。解決此問(wèn)題，科研人員通常使用表面活性劑或微/納米顆粒等作為穩(wěn)定劑來(lái)抑制重力引起的排液，從而延長(zhǎng)氣泡壽命，但化學(xué)穩(wěn)定劑的加入不可避免地會(huì)導(dǎo)致氣泡的“污染”，這在特定生產(chǎn)條件下并不適用。

　　為了探究不引入化學(xué)穩(wěn)定劑而獲得長(zhǎng)壽命氣泡的方法，研究學(xué)者曾在國(guó)際空間站直接利用微重力條件抑制排液，實(shí)現(xiàn)了純水氣泡的穩(wěn)定和較長(zhǎng)壽命。空間站實(shí)驗(yàn)雖然可獲得長(zhǎng)壽命氣泡，但成本極其昂貴，而且不便于結(jié)合其他研究手段進(jìn)行復(fù)雜實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。因此，能否在地面常重力條件下尋找一種不引入化學(xué)穩(wěn)定劑的氣泡穩(wěn)定方法成為亟待解決的問(wèn)題。

　　臧渡洋教授課題組一直圍繞軟物質(zhì)和復(fù)雜流體開(kāi)展研究，特別關(guān)注軟物質(zhì)界面的物理、力學(xué)以及化學(xué)耦合問(wèn)題，他早在法國(guó)留學(xué)期間便針對(duì)氣泡物理的基礎(chǔ)問(wèn)題開(kāi)展研究。來(lái)到西工大，導(dǎo)師魏炳波院士所建立和發(fā)展的聲懸浮技術(shù)又為臧渡洋教授的氣泡研究提供了創(chuàng)新指引。

　　“超聲既然能使液滴懸浮而不墜落，那能否使氣泡液膜中的液體不往下流動(dòng)(排液)呢?”在這一問(wèn)題的驅(qū)動(dòng)下，臧渡洋開(kāi)始帶領(lǐng)本科生開(kāi)展超聲“吹泡泡”的興趣實(shí)驗(yàn)。在一次實(shí)驗(yàn)中，課題組同學(xué)偶然發(fā)現(xiàn)，聲懸浮條件下液滴可以轉(zhuǎn)變?yōu)闅馀?，且聲懸浮氣泡存活時(shí)間顯著優(yōu)于常規(guī)氣泡，甚至使用針頭去穿刺仍能夠保持完整。

　　這一突出特性使課題組欣喜異常，并引起了大家極大的科研興趣?！奥晥?chǎng)中的氣泡為什么如此“堅(jiān)固”而長(zhǎng)壽?”臧渡洋教授開(kāi)始組織研究團(tuán)隊(duì)對(duì)這一問(wèn)題展開(kāi)深入探索歸納，并最終揭示了聲懸浮氣泡的超穩(wěn)定性是由于氣泡內(nèi)外表面的聲輻射力顯著抑制了重力排液導(dǎo)致的。

　　該研究成果以“Extraordinary stability of surfactant-free bubbles suspended in ultrasound”為題發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Droplet上(期刊封面故事)，并被Nature期刊亮點(diǎn)報(bào)道。

　　該成果首創(chuàng)了通過(guò)超聲懸浮穩(wěn)定氣泡的新方法，并進(jìn)一步揭示了造成這種超穩(wěn)定性的物理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了在常規(guī)重力條件下使氣泡保持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定，達(dá)到了媲美空間站中微重力環(huán)境抑制排液的效果，提供了適用于氣泡及氣泡膜研究的空間環(huán)境的地面模擬途徑。

　　論文中團(tuán)隊(duì)提出，在聲懸浮條件下，利用聲腔共振機(jī)制形成的聲懸浮氣泡，穩(wěn)定性得到了顯著提升，可以在超聲環(huán)境下存在超過(guò)15min。即使沒(méi)有任何表面活性劑的穩(wěn)定作用，純水氣泡也可以穩(wěn)定7min以上，這比常規(guī)氣泡的壽命提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。此外，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，在聲場(chǎng)的穩(wěn)定作用下氣泡甚至能夠在*等外部擾動(dòng)下保持穩(wěn)定。這種超穩(wěn)定性是由于駐波聲場(chǎng)在懸浮氣泡的內(nèi)外表面都提供了獨(dú)特的聲輻射壓力分布，這樣的聲輻射壓分布一方面平衡了液體重力，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定懸浮。另一方面對(duì)氣泡膜提供了擠壓作用，抵消了靜水壓力，從而抑制了其中的重力排液。聲輻射壓的分布還可通過(guò)改變聲場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)，從而得到不同形態(tài)的聲懸浮氣泡。

　　以此成果為指引，臧渡洋教授課題組制備出了“地面上最長(zhǎng)壽命氣泡”并創(chuàng)下吉尼斯世界紀(jì)錄：在聲懸浮條件下，氣泡保持時(shí)間達(dá)到23分36秒。

　　這種無(wú)固體表面接觸、無(wú)化學(xué)“污染”、超穩(wěn)定的聲懸浮氣泡在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中具有極大的應(yīng)用前景。例如，超穩(wěn)定氣泡有助于測(cè)量液體的表面張力及其流變學(xué)性質(zhì)；可以作為收集和分析氣溶膠顆粒的液基材料；可以作為理想的生物/化學(xué)反應(yīng)器，用于晶體生長(zhǎng)、細(xì)胞培養(yǎng)的液體模板/獨(dú)特的微環(huán)境等。

　　未來(lái)，臧渡洋教授課題組將繼續(xù)圍繞聲懸浮氣泡開(kāi)展相關(guān)研究，探索氣泡的表面特性及其動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)性質(zhì)等，持續(xù)推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域“1→0”反向科研攻關(guān)，為聲懸浮氣泡在材料工程、流體物理、生命科學(xué)等領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用提供理論支持。

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