科技日报记者 王禹涵

    近日，西北工业大学物理科学与技术学院臧渡洋教授团队成功制备出“地面上最长寿命气泡”，在声悬浮条件下气泡保持时间可达到23分36秒，且在被直径0.8毫米的热铜针穿透时悬浮气泡仍能保持不破裂。该研究成果发表在《自然》期刊“亮点研究”栏目，并创下吉尼斯世界纪录。

    探究“长寿”泡泡

    “由于重力导致的排液以及气泡本身的大比表面积，气泡天生不稳定。”臧渡洋表示，自然界中常见的气泡只能存在数秒且触之即破，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及其重要作用的发挥。因此，为气泡“增寿”成为许多流体物理和软物质等相关领域学者和工程师的一个饶有兴致的挑战。

    据悉，由于气泡独特的界面物理化学性质及其动力学行为，特别是气泡膜为许多特定的物理化学过程提供了独特的传热传质边界条件和二维柔性约束，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。

    但是，普通气泡受到重力的影响，液膜上下的薄厚程度逐渐不均衡，使得气泡在自然条件下只能短时间存留。为解决此问题，科研人员通常使用表面活性剂或微/纳米颗粒等作为稳定剂来抑制重力引起的排液，从而延长气泡寿命，但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。但能否在地面常重力条件下寻找不引入化学稳定剂的气泡稳定方法，成为科学家亟待解决的问题。

    超声“吹出”稳定泡泡

    臧渡洋教授团队一直围绕软物质和复杂流体开展研究，其导师中国科学院院士、西北工业大学教授魏炳波所建立和发展的声悬浮技术为气泡研究提供了新的指引。

    “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？”臧渡洋教授团队在开展超声“吹泡泡”的兴趣实验时，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够保持完整。

    “声场中的气泡为什么如此‘坚固’而长寿？”臧渡洋教授团队最终揭示了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了重力排液导致的。这一成果达到了媲美国际空间站中微重力环境抑制排液的效果，提供了适用于气泡及气泡膜研究的空间环境的地面模拟途径。

    此外，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平衡了液体重力，实现了稳定悬浮。声辐射压分布还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。”臧渡洋表示，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。

    据了解，这种无固体表面接触、无化学“污染”、超稳定的声悬浮气泡具有极大的应用前景。未来，臧渡洋教授团队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，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。

    责任编辑：冷媚