超聲“吹”出地球上最“長壽”氣泡

近日，西北工業大學物理科學與技術學院教授臧渡洋團隊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間可達23分36秒，且在被直徑0.8毫米的熱銅針穿透時，懸浮氣泡仍能保持不破裂。相關研究論文發表于國際期刊《液滴》，且被《自然》雜志“亮點研究”欄目報道。該成果還創下吉尼斯世界紀錄。

氣泡“增壽”面臨難題

氣泡因其獨特的界面物理化學性質及動力學行為，特別是氣泡膜可為許多特定的物理化學過程提供獨特的傳熱傳質邊界條件和二維柔性約束，在材料工程、流體物理、生命科學和環境科學等領域有廣闊應用前景。

不過，由于重力導致的排液以及氣泡本身的大比表面積，氣泡天生不穩定。臧渡洋介紹，自然界中常見的氣泡只能存在數秒，而且觸之即破，生命周期短、穩定性差的特性極大制約了其在生產生活中的應用。為氣泡“增壽”，成為流體物理和軟物質等領域學者和工程師面臨的挑戰。

科研人員通常使用表面活性劑或微/納米顆粒等作為穩定劑來抑制重力引起的排液，從而延長氣泡壽命。但化學穩定劑的加入會不可避免地導致氣泡被“污染”，因此在特定生產條件下，這一方法并不適用。

為了探究不引入化學穩定劑而獲得“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，實現了純水氣泡的穩定和較長壽命。那么，能否在地面常重力條件下尋找不引入化學穩定劑的氣泡穩定方法？這成為亟待解決的問題。

偶然發現穩定泡泡

臧渡洋團隊長期圍繞軟物質和復雜流體開展研究，其導師中國科學院院士、西北工業大學教授魏炳波所建立和發展的聲懸浮技術為氣泡研究提供了新的指引。

聲懸浮就是利用發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。這是因為波節點處的聲輻射力可以平衡物體的重力，使物體保持懸浮狀態。

在開展超聲“吹泡泡”的興趣實驗時，臧渡洋團隊成員提出了一個設想：“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的液體向下流動呢？”實驗過程中，他們偶然發現，在聲懸浮條件下，液滴能轉變為氣泡，并且這些聲懸浮氣泡的存活時間明顯長于常規氣泡。更令人驚奇的是，即便使用針頭進行穿刺，這些氣泡仍能保持完整性。

聲場中的氣泡為何如此“堅固”且“長壽”？臧渡洋團隊發現，聲懸浮氣泡膜內的重力排液被顯著抑制了，從而賦予聲懸浮氣泡超穩定性。

“這種超穩定性是由于聲場在懸浮氣泡內外表面所形成的獨特聲輻射壓分布。這樣的聲輻射壓分布平衡了液體重力，實現了氣泡的穩定懸浮，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象。”臧渡洋說，通過調節聲場強度，還可以調整聲輻射壓分布，從而得到形態各異的聲懸浮氣泡。

據了解，這種無固體表面接觸、無化學“污染”、超穩定的聲懸浮氣泡有望廣泛應用于諸多領域。未來，臧渡洋團隊將繼續圍繞聲懸浮氣泡開展相關研究，探索氣泡的表面特性及動力學、熱力學性質，為聲懸浮氣泡在材料工程、流體物理、生命科學等領域的實際應用提供理論支持。