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。

探究“長(zhǎng)壽”泡泡

“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。”臧渡洋表示，自然界中常見的氣泡只能存在數(shù)秒且觸之即破，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)。

據(jù)悉，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。

但是，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。為解決此問題，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。但能否在地面常重力條件下尋找不引入化學(xué)穩(wěn)定劑的氣泡穩(wěn)定方法，成為科學(xué)家亟待解決的問題。

超聲“吹出”穩(wěn)定泡泡

臧渡洋教授團(tuán)隊(duì)一直圍繞軟物質(zhì)和復(fù)雜流體開展研究，其導(dǎo)師中國(guó)科學(xué)院院士、西北工業(yè)大學(xué)教授魏炳波所建立和發(fā)展的聲懸浮技術(shù)為氣泡研究提供了新的指引。

“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？”臧渡洋教授團(tuán)隊(duì)在開展超聲“吹泡泡”的興趣實(shí)驗(yàn)時(shí)，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)闅馀荩衣晳腋馀荽婊顣r(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。

“聲場(chǎng)中的氣泡為什么如此‘堅(jiān)固’而長(zhǎng)壽？”臧渡洋教授團(tuán)隊(duì)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。這一成果達(dá)到了媲美國(guó)際空間站中微重力環(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。

此外，實(shí)驗(yàn)證明，在聲場(chǎng)的穩(wěn)定作用下，氣泡甚至能夠在針刺等外部擾動(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平衡了液體重力，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定懸浮。聲輻射壓分布還對(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?！标岸裳蟊硎荆曒椛鋲旱姆植歼€可通過改變聲場(chǎng)強(qiáng)度來調(diào)節(jié)，從而得到不同形態(tài)的聲懸浮氣泡。

據(jù)了解，這種無固體表面接觸、無化學(xué)“污染”、超穩(wěn)定的聲懸浮氣泡具有極大的應(yīng)用前景。未來，臧渡洋教授團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)圍繞聲懸浮氣泡開展相關(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，為聲懸浮氣泡在材料工程、流體物理、生命科學(xué)等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供理論支持。