超聲“吹”出地球上最“長壽”氣泡

近日，西北工業(yè)大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授臧渡洋團(tuán)隊(duì)成功制備出地球上最“長壽”氣泡，在聲懸浮條件下氣泡保持時(shí)間可達(dá)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。相關(guān)研究論文發(fā)表于國際期刊《液滴》，且被《自然》雜志“亮點(diǎn)研究”欄目報(bào)道。該成果還創(chuàng)下吉尼斯世界紀(jì)錄。

氣泡“增壽”面臨難題

氣泡因其獨(dú)特的界面物理化學(xué)性質(zhì)及動力學(xué)行為，特別是氣泡膜可為許多特定的物理化學(xué)過程提供獨(dú)特的傳熱傳質(zhì)邊界條件和二維柔性約束，在材料工程、流體物理、生命科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。

不過，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。臧渡洋介紹，自然界中常見的氣泡只能存在數(shù)秒，而且觸之即破，生命周期短、穩(wěn)定性差的特性極大制約了其在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。為氣泡“增壽”，成為流體物理和軟物質(zhì)等領(lǐng)域?qū)W者和工程師面臨的挑戰(zhàn)。

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，從而延長氣泡壽命。但化學(xué)穩(wěn)定劑的加入會不可避免地導(dǎo)致氣泡被“污染”，因此在特定生產(chǎn)條件下，這一方法并不適用。

為了探究不引入化學(xué)穩(wěn)定劑而獲得“長壽”氣泡的方法，研究人員曾在國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)定和較長壽命。那么，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？這成為亟待解決的問題。

偶然發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定泡泡

臧渡洋團(tuán)隊(duì)長期圍繞軟物質(zhì)和復(fù)雜流體開展研究，其導(dǎo)師中國科學(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。

聲懸浮就是利用發(fā)射端與反射端間的駐波聲場，使液滴等物體在空中懸浮起來，而不會墜落。這是因?yàn)椴ü?jié)點(diǎn)處的聲輻射力可以平衡物體的重力，使物體保持懸浮狀態(tài)。

在開展超聲“吹泡泡”的興趣實(shí)驗(yàn)時(shí)，臧渡洋團(tuán)隊(duì)成員提出了一個(gè)設(shè)想：“既然超聲能使液滴懸浮而不墜落，那么它是否同樣能阻止氣泡液膜內(nèi)的液體向下流動呢？”實(shí)驗(yàn)過程中，他們偶然發(fā)現(xiàn)，在聲懸浮條件下，液滴能轉(zhuǎn)變?yōu)闅馀?，并且這些聲懸浮氣泡的存活時(shí)間明顯長于常規(guī)氣泡。更令人驚奇的是，即便使用針頭進(jìn)行穿刺，這些氣泡仍能保持完整性。

聲場中的氣泡為何如此“堅(jiān)固”且“長壽”？臧渡洋團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，聲懸浮氣泡膜內(nèi)的重力排液被顯著抑制了，從而賦予聲懸浮氣泡超穩(wěn)定性。

“這種超穩(wěn)定性是由于聲場在懸浮氣泡內(nèi)外表面所形成的獨(dú)特聲輻射壓分布。這樣的聲輻射壓分布平衡了液體重力，實(shí)現(xiàn)了氣泡的穩(wěn)定懸浮，還對氣泡膜施加了擠壓作用。這一作用抵消了靜水壓力，從而抑制了氣泡膜中的重力排液現(xiàn)象?！标岸裳笳f，通過調(diào)節(jié)聲場強(qiáng)度，還可以調(diào)整聲輻射壓分布，從而得到形態(tài)各異的聲懸浮氣泡。

據(jù)了解，這種無固體表面接觸、無化學(xué)“污染”、超穩(wěn)定的聲懸浮氣泡有望廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。未來，臧渡洋團(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動力學(xué)、熱力學(xué)性質(zhì)，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。