近日，西北工業(yè)大學物理科學與技術學院臧渡洋教授團隊成功制備出“地面上最長壽命氣泡”，在聲懸浮條件下氣泡保持時間可達到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。該研究成果發(fā)表在《自然》期刊“亮點研究”欄目，并創(chuàng)下吉尼斯世界紀錄。

　　氣泡在人們生產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性質及其動力學行為，特別是氣泡膜為許多特定的物理化學過程提供了獨特的傳熱傳質邊界條件和二維柔性約束，其在材料工程、流體物理、生命科學和環(huán)境科學等領域都有著廣泛的應用前景。

　　然而，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(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生活中的廣泛應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等相關領域學者和工程師的一個饒有興致的挑戰(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，但化學穩(wěn)定劑的加入不可避免地會導致氣泡的“污染”，這在特定生產條件下并不適用。

　　為了探究不引入化學穩(wěn)定劑而獲得長壽命氣泡的方法，研究學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?？臻g站實驗雖然可獲得長壽命氣泡，但成本極其昂貴，而且不便于結合其他研究手段進行復雜實驗設計。因此，能否在地面常重力條件下尋找一種不引入化學穩(wěn)定劑的氣泡穩(wěn)定方法成為亟待解決的問題。

　　臧渡洋教授課題組一直圍繞軟物質和復雜流體開展研究，特別關注軟物質界面的物理、力學以及化學耦合問題，他早在法國留學期間便針對氣泡物理的基礎問題開展研究。來到西工大，導師魏炳波院士所建立和發(fā)展的聲懸浮技術又為臧渡洋教授的氣泡研究提供了創(chuàng)新指引。

　　“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?”在這一問題的驅動下，臧渡洋開始帶領本科生開展超聲“吹泡泡”的興趣實驗。在一次實驗中，課題組同學偶然發(fā)現(xiàn)，聲懸浮條件下液滴可以轉變?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。

　　這一突出特性使課題組欣喜異常，并引起了大家極大的科研興趣?！奥晥鲋械臍馀轂槭裁慈绱恕皥怨獭倍L壽?”臧渡洋教授開始組織研究團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)定性是由于氣泡內外表面的聲輻射力顯著抑制了重力排液導致的。

　　該研究成果以“Extraordinary stability of surfactant-free bubbles suspended in ultrasound”為題發(fā)表在國際知名學術期刊Droplet上(期刊封面故事)，并被Nature期刊亮點報道。

　　該成果首創(chuàng)了通過超聲懸浮穩(wěn)定氣泡的新方法，并進一步揭示了造成這種超穩(wěn)定性的物理機制，實現(xiàn)了在常規(guī)重力條件下使氣泡保持長時間穩(wěn)定，達到了媲美空間站中微重力環(huán)境抑制排液的效果，提供了適用于氣泡及氣泡膜研究的空間環(huán)境的地面模擬途徑。

　　論文中團隊提出，在聲懸浮條件下，利用聲腔共振機制形成的聲懸浮氣泡，穩(wěn)定性得到了顯著提升，可以在超聲環(huán)境下存在超過15min。即使沒有任何表面活性劑的穩(wěn)定作用，純水氣泡也可以穩(wěn)定7min以上，這比常規(guī)氣泡的壽命提高了兩個數(shù)量級以上。此外，通過實驗證明，在聲場的穩(wěn)定作用下氣泡甚至能夠在針刺等外部擾動下保持穩(wěn)定。這種超穩(wěn)定性是由于駐波聲場在懸浮氣泡的內外表面都提供了獨特的聲輻射壓力分布，這樣的聲輻射壓分布一方面平衡了液體重力，實現(xiàn)了穩(wěn)定懸浮。另一方面對氣泡膜提供了擠壓作用，抵消了靜水壓力，從而抑制了其中的重力排液。聲輻射壓的分布還可通過改變聲場強度來調節(jié)，從而得到不同形態(tài)的聲懸浮氣泡。

　　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)下吉尼斯世界紀錄：在聲懸浮條件下，氣泡保持時間達到23分36秒。

　　這種無固體表面接觸、無化學“污染”、超穩(wěn)定的聲懸浮氣泡在科學研究和工業(yè)生產中具有極大的應用前景。例如，超穩(wěn)定氣泡有助于測量液體的表面張力及其流變學性質；可以作為收集和分析氣溶膠顆粒的液基材料；可以作為理想的生物/化學反應器，用于晶體生長、細胞培養(yǎng)的液體模板/獨特的微環(huán)境等。

　　未來，臧渡洋教授課題組將繼續(xù)圍繞聲懸浮氣泡開展相關研究，探索氣泡的表面特性及其動力學、熱力學性質等，持續(xù)推動相關領域“1→0”反向科研攻關，為聲懸浮氣泡在材料工程、流體物理、生命科學等領域實際應用提供理論支持。