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　　近日，西北工業大學物理科學與(yu)技(ji)術學院臧渡洋教授團隊成功制備出“地面上最長壽命(ming)氣泡(pao)”，在(zai)(zai)聲懸浮條件(jian)下氣泡(pao)保(bao)持時間可達到23分(fen)36秒，且在(zai)(zai)被直徑0.8毫米(mi)的熱銅針(zhen)穿透時懸浮氣泡(pao)仍能保(bao)持不破裂。該研(yan)究成果發(fa)表在(zai)(zai)《自然》期刊(kan)“亮點(dian)研(yan)究”欄(lan)目(mu)，并創(chuang)下吉(ji)尼斯(si)世界紀錄。

　　氣泡在人(ren)們(men)生(sheng)產生(sheng)活(huo)中是(shi)熟悉且不可或缺(que)的重要角色，由于氣泡獨特(te)的界面物(wu)理(li)化學性(xing)質及其動(dong)力學行為，特(te)別是(shi)氣泡膜(mo)為許多特(te)定的物(wu)理(li)化學過(guo)程提供了(le)獨特(te)的傳(chuan)熱傳(chuan)質邊界條件和二(er)維柔性(xing)約束，其在材(cai)料工程、流體物(wu)理(li)、生(sheng)命科學和環境科學等(deng)領域都(dou)有著廣泛的應(ying)用前(qian)景。

　　然而(er)，由于(yu)重力導致的(de)(de)排液以及氣泡(pao)(pao)本身的(de)(de)大(da)比表面(mian)積，氣泡(pao)(pao)天生不穩定。自然界中(zhong)常見(jian)的(de)(de)氣泡(pao)(pao)往往只能存在(zai)數秒且(qie)觸(chu)之即破，這種生命周期短和(he)穩定性(xing)差的(de)(de)特(te)性(xing)極大(da)制約(yue)了其在(zai)生產(chan)生活中(zhong)的(de)(de)廣泛應用及其重要作用的(de)(de)發(fa)揮。因此(ci)，為(wei)氣泡(pao)(pao)增壽成(cheng)為(wei)許(xu)多流體(ti)物(wu)理和(he)軟物(wu)質(zhi)等相關領域(yu)學者和(he)工程師的(de)(de)一個饒有興(xing)致的(de)(de)挑戰。

　　普通氣(qi)(qi)泡(pao)受到重(zhong)力的(de)(de)影響(xiang)，液(ye)(ye)膜上下的(de)(de)薄厚程度(du)逐漸不(bu)均衡，使(shi)得氣(qi)(qi)泡(pao)在自然條件(jian)下只(zhi)能短時間存留。解決此問題，科研人(ren)員通常使(shi)用(yong)表面(mian)活性(xing)劑(ji)(ji)或微(wei)/納米顆粒等(deng)作為穩定劑(ji)(ji)來抑制重(zhong)力引起的(de)(de)排液(ye)(ye)，從而延長氣(qi)(qi)泡(pao)壽命，但(dan)化學穩定劑(ji)(ji)的(de)(de)加入(ru)不(bu)可避免地會導(dao)致(zhi)氣(qi)(qi)泡(pao)的(de)(de)“污染”，這(zhe)在特定生產條件(jian)下并不(bu)適用(yong)。

　　為了(le)探(tan)究(jiu)(jiu)不(bu)引入(ru)化學(xue)穩定(ding)(ding)劑而(er)(er)獲(huo)得長壽命氣(qi)泡的方(fang)法，研究(jiu)(jiu)學(xue)者曾(ceng)在國際(ji)空間站(zhan)直接利用微重力條件(jian)抑制排液(ye)，實現了(le)純(chun)水氣(qi)泡的穩定(ding)(ding)和較長壽命。空間站(zhan)實驗雖然可(ke)獲(huo)得長壽命氣(qi)泡，但成本極其昂貴，而(er)(er)且不(bu)便(bian)于結合其他研究(jiu)(jiu)手(shou)段進(jin)行復雜實驗設計。因(yin)此，能否在地面(mian)常重力條件(jian)下尋找一種不(bu)引入(ru)化學(xue)穩定(ding)(ding)劑的氣(qi)泡穩定(ding)(ding)方(fang)法成為亟待(dai)解決(jue)的問題(ti)。

　　臧渡(du)洋(yang)教授(shou)課題(ti)組一直圍繞軟物質(zhi)和(he)復雜流體開展研究(jiu)(jiu)(jiu)，特別關(guan)注(zhu)軟物質(zhi)界面的物理(li)、力學以及(ji)化(hua)學耦合問題(ti)，他(ta)早在法國留(liu)學期(qi)間便(bian)針對氣(qi)泡物理(li)的基礎問題(ti)開展研究(jiu)(jiu)(jiu)。來(lai)到西工大，導師魏炳波(bo)院(yuan)士(shi)所建立和(he)發展的聲懸(xuan)浮技術又為臧渡(du)洋(yang)教授(shou)的氣(qi)泡研究(jiu)(jiu)(jiu)提供了創新指引(yin)。

　　“超(chao)聲既然(ran)能使液(ye)(ye)滴懸(xuan)浮(fu)而不(bu)墜落，那(nei)能否(fou)使氣(qi)泡液(ye)(ye)膜(mo)中(zhong)的液(ye)(ye)體不(bu)往(wang)下(xia)(xia)流動(排液(ye)(ye))呢(ni)?”在這一(yi)問題(ti)的驅動下(xia)(xia)，臧渡(du)洋開始帶領(ling)本科生開展超(chao)聲“吹泡泡”的興趣實驗(yan)。在一(yi)次實驗(yan)中(zhong)，課題(ti)組同(tong)學偶然(ran)發現，聲懸(xuan)浮(fu)條件(jian)下(xia)(xia)液(ye)(ye)滴可以轉變(bian)為氣(qi)泡，且聲懸(xuan)浮(fu)氣(qi)泡存活時間顯(xian)著優于常(chang)規氣(qi)泡，甚至使用(yong)針頭去穿刺仍(reng)能夠保持(chi)完整。

　　這一(yi)突出特性使課(ke)題組欣喜(xi)異常(chang)，并(bing)引(yin)起了(le)(le)大(da)家極大(da)的科研興趣(qu)。“聲場(chang)中的氣(qi)泡(pao)為什么如此“堅固(gu)”而長壽?”臧渡(du)洋教授開(kai)始組織研究團(tuan)隊對這一(yi)問題展開(kai)深入探(tan)索歸納，并(bing)最終(zhong)揭示了(le)(le)聲懸浮氣(qi)泡(pao)的超(chao)穩定性是由于氣(qi)泡(pao)內外(wai)表面的聲輻射(she)力顯著抑制了(le)(le)重(zhong)力排液(ye)導致的。

　　該研(yan)究成果以“Extraordinary stability of surfactant-free bubbles suspended in ultrasound”為題(ti)發(fa)表在國際知名學術(shu)期(qi)刊Droplet上(期(qi)刊封面故(gu)事)，并被Nature期(qi)刊亮點報(bao)道。

　　該成果首創(chuang)了(le)(le)通過超聲懸浮(fu)穩定(ding)(ding)(ding)氣泡(pao)的(de)新方(fang)法(fa)，并進(jin)一步揭(jie)示了(le)(le)造(zao)成這種超穩定(ding)(ding)(ding)性的(de)物理機制，實現了(le)(le)在常(chang)規重(zhong)力條(tiao)件(jian)下使氣泡(pao)保持長時間穩定(ding)(ding)(ding)，達到了(le)(le)媲美空間站中微重(zhong)力環境(jing)抑制排液的(de)效果，提供了(le)(le)適用于氣泡(pao)及(ji)氣泡(pao)膜研究(jiu)的(de)空間環境(jing)的(de)地面模擬(ni)途徑。

　　論文中(zhong)團隊提(ti)出，在(zai)(zai)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)懸(xuan)浮條件(jian)下，利用聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)腔(qiang)共(gong)振(zhen)機制形成的(de)(de)(de)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)懸(xuan)浮氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)，穩(wen)(wen)定(ding)(ding)性得到(dao)了(le)(le)(le)顯(xian)著提(ti)升，可(ke)以(yi)(yi)在(zai)(zai)超聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)環境下存在(zai)(zai)超過15min。即使沒有(you)任何表(biao)面(mian)(mian)活性劑的(de)(de)(de)穩(wen)(wen)定(ding)(ding)作(zuo)(zuo)用，純(chun)水(shui)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)也可(ke)以(yi)(yi)穩(wen)(wen)定(ding)(ding)7min以(yi)(yi)上，這(zhe)比常規氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)的(de)(de)(de)壽命提(ti)高了(le)(le)(le)兩(liang)個數量(liang)級(ji)以(yi)(yi)上。此外(wai)，通(tong)(tong)過實(shi)驗證明，在(zai)(zai)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)場的(de)(de)(de)穩(wen)(wen)定(ding)(ding)作(zuo)(zuo)用下氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)甚至能夠在(zai)(zai)針刺等(deng)外(wai)部擾動下保持穩(wen)(wen)定(ding)(ding)。這(zhe)種超穩(wen)(wen)定(ding)(ding)性是由于駐波聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)場在(zai)(zai)懸(xuan)浮氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)的(de)(de)(de)內外(wai)表(biao)面(mian)(mian)都提(ti)供(gong)了(le)(le)(le)獨特的(de)(de)(de)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)輻射壓力(li)分布(bu)(bu)，這(zhe)樣的(de)(de)(de)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)輻射壓分布(bu)(bu)一方面(mian)(mian)平衡(heng)了(le)(le)(le)液體(ti)重力(li)，實(shi)現了(le)(le)(le)穩(wen)(wen)定(ding)(ding)懸(xuan)浮。另一方面(mian)(mian)對(dui)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)膜提(ti)供(gong)了(le)(le)(le)擠(ji)壓作(zuo)(zuo)用，抵消了(le)(le)(le)靜(jing)水(shui)壓力(li)，從(cong)而抑制了(le)(le)(le)其(qi)中(zhong)的(de)(de)(de)重力(li)排液。聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)輻射壓的(de)(de)(de)分布(bu)(bu)還可(ke)通(tong)(tong)過改(gai)變(bian)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)場強度(du)來(lai)調節，從(cong)而得到(dao)不同形態的(de)(de)(de)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)懸(xuan)浮氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)。

　　以此成果為指引，臧(zang)渡洋(yang)教授課題(ti)組(zu)制備出了“地面上(shang)最(zui)長壽命氣泡”并創下吉尼斯世界紀錄(lu)：在聲懸浮條件(jian)下，氣泡保持時間達到(dao)23分36秒。

　　這種無固體(ti)表面接觸、無化(hua)學(xue)(xue)“污(wu)染”、超(chao)穩定的(de)聲懸浮氣泡在科學(xue)(xue)研(yan)究和工業(ye)生(sheng)產中具有極大的(de)應(ying)用前景。例如，超(chao)穩定氣泡有助于測量液(ye)體(ti)的(de)表面張力及其流變學(xue)(xue)性質；可(ke)以作為收集和分析氣溶膠顆粒的(de)液(ye)基材(cai)料；可(ke)以作為理想的(de)生(sheng)物/化(hua)學(xue)(xue)反(fan)應(ying)器，用于晶體(ti)生(sheng)長、細胞培(pei)養的(de)液(ye)體(ti)模板(ban)/獨(du)特的(de)微(wei)環境等。

　　未(wei)來，臧渡(du)洋教授課題(ti)組將繼續圍繞聲懸浮氣(qi)泡(pao)開(kai)展(zhan)相(xiang)關(guan)研究，探索氣(qi)泡(pao)的表面特性(xing)(xing)及(ji)其動力學、熱力學性(xing)(xing)質(zhi)等(deng)，持續推動相(xiang)關(guan)領(ling)域“1→0”反向科(ke)研攻關(guan)，為聲懸浮氣(qi)泡(pao)在材(cai)料工程、流體物(wu)理、生命科(ke)學等(deng)領(ling)域實際應用提供理論支(zhi)持。