西北工業(yè)大學(xué)科研團(tuán)隊制備出“地面上最長壽命氣泡”

中國教育報-中國教育新聞網(wǎng)訊（通訊員 潘子祺 鈕荷雯 記者 馮麗）近日，西北工業(yè)大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院臧渡洋教授團(tuán)隊收到一份吉尼斯世界紀(jì)錄證書——該團(tuán)隊成功創(chuàng)下吉尼斯世界紀(jì)錄，制備出“地面上最長壽命氣泡”。在聲懸浮條件下，氣泡保持時間可達(dá)到23分36秒，且在被直徑為0.8毫米的熱銅針穿透時懸浮氣泡仍能保持不破裂。

氣泡在人們生產(chǎn)生活中是熟悉且不可或缺的重要角色，由于氣泡獨特的界面物理化學(xué)性質(zhì)及其動力學(xué)行為，特別是氣泡膜為許多特定的物理化學(xué)過程提供了獨特的傳熱傳質(zhì)邊界條件和二維柔性約束，其在材料工程、流體物理、生命科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。

然而，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。自然界中常見的氣泡往往只能存在數(shù)秒且觸之即破，這種生命周期短和穩(wěn)定性差的特性極大制約了其在生產(chǎn)生活中的廣泛應(yīng)用及其重要作用的發(fā)揮。因此，為氣泡增壽成為許多流體物理和軟物質(zhì)等相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者和工程師的一個挑戰(zhàn)。

普通氣泡受到重力的影響，液膜上下的薄厚程度逐漸不均衡，使得氣泡在自然條件下只能短時間存留。解決此問題，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)定劑的加入不可避免地會導(dǎo)致氣泡的“污染”，這在特定生產(chǎn)條件下并不適用。

為了探究不引入化學(xué)穩(wěn)定劑而獲得長壽命氣泡的方法，研究學(xué)者曾在國際空間站直接利用微重力條件抑制排液，實現(xiàn)了純水氣泡的穩(wěn)定和較長壽命。但成本極其昂貴，而且不便于結(jié)合其他研究手段進(jìn)行復(fù)雜實驗設(shè)計。因此，能否在地面常重力條件下尋找一種不引入化學(xué)穩(wěn)定劑的氣泡穩(wěn)定方法成為亟待解決的問題。

“超聲既然能使液滴懸浮而不墜落，那能否使氣泡液膜中的液體不往下流動（排液）呢？”在這一問題的驅(qū)動下，臧渡洋開始帶領(lǐng)本科生開展超聲“吹泡泡”的興趣實驗。在一次實驗中，課題組同學(xué)偶然發(fā)現(xiàn)，聲懸浮條件下液滴可以轉(zhuǎn)變?yōu)闅馀?，且聲懸浮氣泡存活時間顯著優(yōu)于常規(guī)氣泡，甚至使用針頭去穿刺仍能夠保持完整。臧渡洋教授組織研究團(tuán)隊對這一問題展開深入探索歸納，并最終揭示了聲懸浮氣泡的超穩(wěn)定性是由于氣泡內(nèi)外表面的聲輻射力顯著抑制了重力排液導(dǎo)致的。

該研究成果以“Extraordinary stability of surfactant-free bubbles suspended in ultrasound”為題發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊Droplet上（期刊封面故事），并被Nature期刊亮點報道。以此成果為指引，臧渡洋教授課題組制備出了“地面上最長壽命氣泡”并創(chuàng)下吉尼斯世界紀(jì)錄：在聲懸浮條件下，氣泡保持時間達(dá)到23分36秒。