中国青年报客户端讯（潘子祺 钮荷雯 中青报·中青网记者 孙海华）西北工业大学物理科学与技术学院臧渡洋教授团队近日收到一件特别的快递，这是他们此前获得的一份吉尼斯世界纪录证书——团队制备出的“地面上最长寿命气泡”，在声悬浮条件下保持时间可达到23分36秒，且在被直径为0.8毫米的热铜针穿透时，悬浮气泡仍能保持不破裂。
臧渡洋教授团队获得的吉尼斯世界纪录证书。西北工业大学/供图
在人们生产生活中，气泡是熟悉且不可或缺的重要角色。气泡独特的界面特性，使其在材料工程、流体物理、生命科学和环境科学等领域都有着广泛的应用前景。然而，气泡天生不稳定。自然界中常见的气泡，往往只能存在数秒且触之即破，这种生命周期短和稳定性差的特性，极大制约了其在生产生活中的广泛应用。因此，为气泡“增寿”成为流体物理和软物质等相关领域的一个研究“兴趣点”。
受重力影响，普通气泡液膜上下的薄厚程度逐渐不均衡，使气泡在自然条件下只能短时间存留。通常，科研人员使用表面活性剂或微/纳米颗粒等作为稳定剂，以抑制重力引起的排液现象，从而延长气泡寿命。然而，化学稳定剂的加入不可避免地会导致气泡的“污染”，这在特定生产条件下并不适用。
为了探究不引入化学稳定剂而获得长寿命气泡的方法，研究学者曾在国际空间站直接利用微重力条件抑制排液，实现了纯水气泡的稳定和较长寿命。这样的方法，虽然可获得长寿命气泡，但成本极其昂贵，且不便于结合其他研究手段进行复杂实验设计。因此，能否在地面常重力条件下寻找一种不引入化学稳定剂的气泡稳定方法成为亟待解决的问题。
臧渡洋教授课题组长期围绕软物质和复杂流体开展研究，特别关注软物质界面的物理、力学以及化学耦合问题。在西工大，导师魏炳波院士所建立和发展的声悬浮技术，为臧渡洋教授的气泡研究提供了创新指引。
“超声既然能使液滴悬浮而不坠落，那能否使气泡液膜中的液体不往下流动（排液）呢？”抱着这样的想法，臧渡洋带着本科生展开了超声“吹泡泡”的兴趣实验。
一次实验中，课题组同学偶然发现：声悬浮条件下，液滴可以转变为气泡，且声悬浮气泡存活时间显著优于常规气泡，甚至使用针头去穿刺仍能保持完整。
声悬浮气泡被针头穿刺，仍能保持完整（实验实拍图）。西北工业大学供图
声悬浮气泡被针头穿刺，仍能保持完整（实验实拍图）。西北工业大学供图
声悬浮气泡被针头穿刺，仍能保持完整（实验实拍图）。西北工业大学供图
这一发现令课题组成员欣喜异常。“为什么在声场中，气泡能如此‘坚固’而长寿？”臧渡洋教授团队对这一问题展开深入探索，并进一步揭示：声悬浮气泡的超稳定性，是由于气泡内外表面的声辐射力显著抑制重力排液导致的。
这一研究成果发表在国际学术期刊《液滴》（Droplet）上，并被《自然》（Nature）报道。
臧渡洋教授（中）和团队学生合影。西北工业大学/供图
团队提出，在声悬浮条件下，利用声腔共振机制形成的声悬浮气泡，稳定性得到了显著提升，可以在超声环境下存在超过15分钟。即使没有任何表面活性剂的稳定作用，纯水气泡也可以稳定7分钟以上，这比常规气泡的寿命提高了两个数量级以上。
此外，团队还通过实验证明，在声场的稳定作用下，气泡甚至能够在针刺等外部扰动下保持稳定。这种超稳定性，是由于驻波声场在悬浮气泡的内外表面都提供了独特的声辐射压力分布。这样的声辐射压分布，一方面平衡了液体重力，实现了稳定悬浮；另一方面对气泡膜提供了挤压作用，抵消了静水压力，从而抑制了其中的重力排液。声辐射压的分布还可通过改变声场强度来调节，从而得到不同形态的声悬浮气泡。
以此成果为指引，课题组制备出了“地面上最长寿命气泡”并创下吉尼斯世界纪录：在声悬浮条件下，气泡保持时间达到23分36秒。
这种无固体表面接触、无化学“污染”、超稳定的声悬浮气泡，在科学研究和工业生产中具有较大应用前景。下一步，臧渡洋教授课题组将继续围绕声悬浮气泡开展相关研究，探索气泡的表面特性及其动力学、热力学性质等，持续推动相关领域从“1”到“0”的反向科研攻关，为声悬浮气泡在材料工程、流体物理、生命科学等领域的实际应用提供理论支持。
浏览量：
343 
大字号
