來西北工業(yè)大學(xué)，看小“氣泡”開創(chuàng)大“奇跡”

李佩

你觀察過身邊的氣泡嗎？鍋里的水沸騰時(shí)、洗衣機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)、擰開汽水瓶蓋時(shí)、小朋友拿著泡泡機(jī)迎風(fēng)奔跑時(shí)……氣泡無處不在。但你不知道的是，除了這些日常生活中的場景，在基礎(chǔ)研究和工業(yè)制造中，氣泡同樣扮演著至關(guān)重要的角色。

在科學(xué)家眼中，氣泡是一種有著獨(dú)特界面力學(xué)與熱力學(xué)性質(zhì)的物質(zhì)，礦物浮選、化工生產(chǎn)、食品加工、制藥等諸多領(lǐng)域都少不了氣泡的作用。但氣泡又非常脆弱，在空氣中保持幾秒鐘就會破裂。

為了獲得長壽命的氣泡，學(xué)者們想盡了辦法，有學(xué)者通過使用表面活性劑或微/納米顆粒等作為穩(wěn)定劑來消除排液，卻不可避免地會導(dǎo)致氣泡被“污染”；也有外國學(xué)者雖然在國際空間站實(shí)現(xiàn)了純水氣泡的穩(wěn)定和較長壽命，但卻不具有普適性。于是，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)定方法成為一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的難題。

然而就在不久前，西北工業(yè)大學(xué)（下文簡稱“西工大”）物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院傳來喜訊，臧渡洋教授課題組在氣泡物理領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，利用超聲場穩(wěn)定氣泡這一新方法，通過聲腔共振機(jī)制形成聲懸浮氣泡，發(fā)現(xiàn)其穩(wěn)定性得到了顯著提升。相關(guān)成果發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊Droplet上，并被國際頂級學(xué)術(shù)期刊Nature亮點(diǎn)報(bào)道。

據(jù)了解，這項(xiàng)研究工作得到了陜西省液體物理基礎(chǔ)研究中心的平臺支持和國家自然科學(xué)基金的資助。魏炳波院士和阿爾伯塔大學(xué)曾宏波院士也對該項(xiàng)工作給予了指導(dǎo)和大力支持。另外，除了這些科研界聲名卓著的專家學(xué)者外，不少西工大學(xué)子也參與了這項(xiàng)工作，例如論文第一作者姬曉亮、第四作者蔣一辰，而后者還只是一名本科生。

多年以來，臧渡洋教授課題組一直致力于軟物質(zhì)界面的研究，聚焦軟物質(zhì)在新材料、新能源和空間科技等國家重大戰(zhàn)略需求領(lǐng)域的科學(xué)問題，探索軟物質(zhì)界面的物理－化學(xué)－力學(xué)耦合機(jī)制。臧渡洋教授課題組在研究中發(fā)現(xiàn)，氣泡懸浮在超聲場中時(shí)，會表現(xiàn)出驚人的穩(wěn)定性，即使不引入表面活性劑也可以保持?jǐn)?shù)分鐘，同時(shí)，在聲場的穩(wěn)定作用下，懸浮氣泡甚至可以被針刺后不破裂，擁有比正常氣泡更長的壽命。

與國內(nèi)外同行相比，臧渡洋教授課題組的實(shí)驗(yàn)既保證了氣泡在獲得長壽命的同時(shí)不被表面活性劑“污染”，同時(shí)又具備了較低的實(shí)驗(yàn)成本與更靈活方便的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。該研究首創(chuàng)了通過超聲懸浮穩(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。

值得一提的是，這項(xiàng)研究也創(chuàng)造了“地面上最長壽命氣泡”的吉尼斯世界紀(jì)錄。那么，臧渡洋教授課題組是如何發(fā)現(xiàn)這一研究成果的呢？

十年磨劍，久久為功

回顧臧渡洋教授課題組與氣泡研究的“緣起”，還要追溯到2013年。兩位西工大學(xué)子在觀察聲場中懸浮的水滴時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定的氣泡，欣喜之余，課題組立馬展開了深入研究。經(jīng)過一次次的猜想、驗(yàn)證，又一次次推翻、重來，功夫不負(fù)有心人，課題組耗時(shí)5年終于發(fā)現(xiàn)了聲場誘發(fā)的液滴到氣泡的轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，并揭示了這一轉(zhuǎn)變的聲腔共振機(jī)制。

精益求精，創(chuàng)新不止。臧渡洋教授課題組并未因這一小步的成功而停下腳步，愈發(fā)朝著現(xiàn)象背后的理論機(jī)制深入探究。

數(shù)年攻關(guān)終有所得，臧渡洋教授課題組通過長期研究發(fā)現(xiàn)，這種超穩(wěn)定性是由于駐波聲場在懸浮氣泡的內(nèi)外表面都提供了獨(dú)特的聲輻射壓力分布，聲輻射壓力分布一方面平衡了液體重力，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定懸??；另一方面對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。

通過這種方法研制的氣泡具有無接觸、無“污染”、超穩(wěn)定的特性，可以作為理想的生物/化學(xué)反應(yīng)器，用于晶體生長、細(xì)胞培養(yǎng)的液體模板或獨(dú)特的微環(huán)境，在材料工程、流體物理和生命科學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。而課題組下一步的研究方向也已確定，將采用實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)合的方法探究聲懸浮氣泡的動力學(xué)和熱力學(xué)過程，為結(jié)晶過程的研究提供新思路。

小小氣泡，開啟了他的科研之路

十年飲冰，難涼熱血，任何一項(xiàng)突破性研究成果的取得，都離不開科研團(tuán)隊(duì)的嘔心瀝血。十余年時(shí)間里，臧渡洋教授課題組的成員也在變化，有在此研究領(lǐng)域深耕多年的“常駐者”，也有初次接觸這一研究領(lǐng)域的“科研小白”。

此次課題組發(fā)表論文的第四作者蔣一辰便是一名西工大的大四學(xué)生，在項(xiàng)目中主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)操作、仿真計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、封面插圖繪制等工作。據(jù)他介紹，自己進(jìn)入臧渡洋教授課題組是在兩年前，那時(shí)的他只是一名大二學(xué)生，由于學(xué)業(yè)優(yōu)秀、對科研也有興趣，加上課題組師兄的推薦與學(xué)院老師的支持，很順利便進(jìn)入了臧渡洋教授課題組進(jìn)行科研實(shí)習(xí)。

來到課題組后，蔣一辰參加的第一個(gè)課題就是超穩(wěn)氣泡研究。直到現(xiàn)在，他還清楚地記得自己剛進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的第一天，站在旁邊觀摩師兄構(gòu)建懸浮氣泡的場景。他說：“師兄熟練地使用微型注射器，在發(fā)射端下輕輕推出液滴使其懸浮在超聲場中，微調(diào)發(fā)射端高度使液滴從圓潤慢慢變得扁平，然后凹陷，在一瞬間形成氣泡?！?/p>

氣泡形成的那一瞬間給蔣一辰的內(nèi)心帶來不小的震撼，一股科學(xué)研究的動力油然而生。此后的日子里，他便在臧渡洋教授課題組開始了自己的科研之旅。在那里，他接受到了系統(tǒng)的科研技能學(xué)習(xí)與研究思維訓(xùn)練，也感受著來自課題組的關(guān)懷與溫暖。臧渡洋教授對待科研的嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致，帶教師兄的耐心指導(dǎo)，以及師兄師姐們撰寫、修改稿件或繪制圖片時(shí)的精益求精，成了照亮他未來科研道路上的一束光。

跨學(xué)科，擴(kuò)寬學(xué)習(xí)的廣度

值得一提的是，蔣一辰并非西工大物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的學(xué)生，而是西工大航海學(xué)院的學(xué)生。能跨學(xué)科、跨學(xué)院參與臧渡洋教授的科研項(xiàng)目中，離不開西工大獨(dú)特的本科人才培養(yǎng)模式。

作為“三航”特色鮮明的國防軍工高校，西工大有著深厚的科研創(chuàng)新實(shí)踐基礎(chǔ)，并不斷將科研優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為育人優(yōu)勢。為了使本科生盡早體驗(yàn)學(xué)科前沿，感受高水平科學(xué)研究和工程實(shí)踐的過程、方法和成果，西工大將各類大平臺、大項(xiàng)目、大成果等優(yōu)勢科研資源轉(zhuǎn)化為科研育人的重要載體，依托強(qiáng)大的學(xué)科基礎(chǔ)和師資團(tuán)隊(duì)，面向本科生開放科研實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐基地，為學(xué)生參與高水平科學(xué)研究提供了堅(jiān)實(shí)保障。

在西工大，學(xué)校鼓勵學(xué)生及早加入老師的科研隊(duì)伍，通過系統(tǒng)性的科研訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度、邏輯性思維、協(xié)同創(chuàng)新能力。院士、國家教學(xué)名師、國家杰出青年基金獲得者等在內(nèi)的200多名高水平教師化身學(xué)生科研道路上的引路人，為本科生的創(chuàng)新實(shí)踐指導(dǎo)保駕護(hù)航；航空科技創(chuàng)新基地、微小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室、模擬聯(lián)合國等25個(gè)開放式大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐基地面向本科生開放……學(xué)生們可以盡情暢想并追逐未來。

本科階段更側(cè)重于學(xué)習(xí)的廣度，而跨學(xué)科學(xué)習(xí)正是拓寬廣度的高效方案，在完成本專業(yè)學(xué)習(xí)之余，花費(fèi)時(shí)間和精力投入在這方面是非常值得的。

不同學(xué)科之間既有差異又有聯(lián)系，在一個(gè)學(xué)科上的知識學(xué)習(xí)往往會對另一個(gè)學(xué)科的知識學(xué)習(xí)形成指導(dǎo)，互相促進(jìn)、相輔相成。拿蔣一辰來舉例，他所在的航海學(xué)院更偏向工程領(lǐng)域的研究，但在臧渡洋教授課題組的這段科研經(jīng)歷中，鍛煉了他在理論方面的研究思維，兩者相互補(bǔ)充，為他將來開展科研工作打下了良好基礎(chǔ)。

始于興趣，忠于熱愛。蔣一辰與超穩(wěn)氣泡研究的故事即將告一段落，但他對于科研的熱情一如往昔。如今，他已經(jīng)獲得了本校航海學(xué)院的直博資格，未來科研的重心將更多放在多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化等工程領(lǐng)域研究上。而他在臧渡洋教授課題組學(xué)到的科研思維與技能，將伴隨他走向更高更廣闊的平臺。

追光的人，終會光芒萬丈。越來越多和蔣一辰一樣的本科生，在西工大獨(dú)特的人才培養(yǎng)模式下，如氣泡一般在新時(shí)代的陽光下散發(fā)出更為耀眼的光芒。